CN103615989A - 大型环抛机抛光胶盘在线检测装置 - Google Patents

Abstract

一种大型环抛机抛光胶盘在线检测装置，该装置包括激光器，沿该激光器发出的激光束方向依次是聚焦透镜、第一反射镜的中心小孔和第二反射镜；在第二反射镜的反射光方向依次是第一标准镜和第二标准镜；在第一反射镜的反射光方向是读数屏和设置在读数屏上的位移测微器。本发明对大型环抛机抛光胶盘的在线检测直观且准确，大大提高了工作效率。该装置结构简单、操作方便、稳定可靠、精度较高，不仅大大消除了工件搬运过程的安全性，而且避免了外界杂质的引入而对工件表面造成损伤。

Description

大型环抛机抛光胶盘在线检测装置

技术领域

本发明涉及大型环形抛光机，特别是一种大型环抛机的抛光胶盘在线检测装置。

背景技术

环形抛光机是目前世界上几乎唯一的大口径、全局化平面光学元件加工技术，它是将待抛光工件在一定的压力及抛光液的存在下相对于抛光胶盘做旋转运动，借助磨粒的机械磨削作用以及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面的材料去除并获得光洁表面。与其它技术相比，这种技术可以同时实现大口径工件的局部和全局平面化，能够消除工件表面的高点和波浪形，消除高频缺陷，表面加工质量能够达到超光滑的程度；平面化速度快，加工精度高，应用范围广，生产成本低，适合工业大规模推广。环抛机是这种技术的主要载体。随着现代科学技术的飞速发展，光学元件的通光口径和加工精度要求越来越高，因此环抛机也向大型化、自动化的方向发展，台面直径由原来的1m、1.2m逐渐发展到目前的2.4m，2.8m甚至4m以上等，而且机械化、自动化程度越来越高。一般来说，环抛机主要包括一个由电机驱动旋转的大理石抛光盘，该抛光盘的上表面浇注一层均匀的抛光胶盘，抛光胶盘上还有调节抛光胶盘面形的校正盘。当环抛机开始工作时，首先将一个用于工件限位的辅助抛光工件环放置在抛光盘上，然后将待加工工件平放在该工件环里，这样工件只能在工件环内运动，便于实时控制和操作，同时开动电机驱动抛光盘以一定的速度绕中心旋转，同时在抛光胶盘上喷洒一定量的抛光液，抛光液中含有特殊粒径、尺寸、形状的抛光粉颗粒。当抛光盘以一定的速度转动时，工件在抛光胶盘上同时做无规则的移动或转动，并与抛光胶盘上的抛光粉颗粒产生摩擦作用，从而对工件与抛光胶盘的接触面进行材料去除以获得光滑表面。由上述可知，抛光胶盘的平整度和质量性能对工件最终的抛光效果影响极大。

一般来说，加工工件的面形精度主要取决于抛光胶盘的面形精度。由于抛光胶盘由沥青制作，具有一定的弹性和韧性，在加工过程中容易发生变化，其面形的变化情况，如高圈（面形的感性认知，即元件中间部分高，四周部分低）与低圈（面形的感性认知，与高圈相反，即元件中间部分低，四周部分高）变化直接影响到最终的加工精度。如果能够实时监测抛光胶盘的变化情况，则可以很大程度上提高工件的加工效率和加工精度。另外，环抛加工目前还处于比较依赖人工经验的状态，光学元件加工过程中的变化，如：面形变化，高圈与低圈变化还不能实时监控，而这却是控制光学元件面形精度的重要依据。目前的处理方法只能是首先将环抛机停机，然后通过人工方式把半加工态的光学元件搬至干涉仪上进行观察以得到工件实时的面形情况，进而推断抛光胶盘的面形变化情况，观察完毕后，再通过人工方式搬至环抛机上进行再加工。这种方法既费时又费力，而且还增加了工件搬运过程中的危险性。再者，由于大型环抛机加工的工件尺寸较大，重量也很大，而且表面光滑，无处把握，因此工人搬运起来十分不便，劳动强度比较大，非常容易造成工人受伤。另外，鉴于目前对工件光洁度的要求，工件的检测要尽量避免人为参与，因此迫切需要自动化的在线检测方式。

基于以上论述，如果能够实现抛光胶盘的实时在线检测，即能够实时监测抛光胶盘的面形变化，尤其是高低圈变化，则可以及时了解工件的面形情况并做出及时的后续加工方式，不仅可以很大程度上提高工件的加工效率，而且也可以提高工件的加工精度和光洁度等指标。

发明内容

本发明的目的是提出一种大型环抛机抛光胶盘在线检测装置，该装置基本上实现了大型环抛机抛光胶盘的自动化检测，减轻了工作人员的劳动强度。另外，采用该装置可以实时的了解抛光胶盘的面形情况，尤其是高低圈状况，大大提高了工作效率。该装置结构简单，操作方便，稳定可靠，精度较高，不仅大大消除了工件搬运过程的安全性，而且避免了外界杂质的引入而对工件表面造成损伤。

本发明的技术解决方案如下：

一种大型环抛机抛光胶盘在线检测装置，该装置包括激光器，沿该激光器发出的激光束方向依次是聚焦透镜、第一反射镜的中心小孔和第二反射镜；在第二反射镜的反射光方向依次是第一标准镜和第二标准镜；在第一反射镜的反射光方向是读数屏和设置在读数屏上的位移测微器；所述的第一反射镜和第二反射镜与入射光束的夹角为45°，所述的第一反射镜的中心小孔位于所述的聚焦透镜的焦点，所述的第一反射镜的反射面上具有以所述的中心小孔为原点的刻线坐标；所述的第一标准镜的上表面为绝对水平面，在第一标准镜的两边分别设有粗调节螺钉和细调节螺钉，分别对第一标准镜在垂直方向上位移的粗调和细调；所述的第二标准镜的上表面也为绝对水平面，放置在处于抛光胶盘上正在加工的光学元件的上表面上。

所述的第一标准镜的下表面镀有增透膜。

所述的光学元件（7）的上表面涂有保护胶。

该装置的工作原理如下：

该装置利用激光点光源干涉原理，将一激光束经过透镜聚焦后形成一点光源。该点光源发出具有一定发散角的球面波。此时，利用该球面波干涉而形成的条纹为同心圆条纹。根据该同心圆干涉条纹圆心的偏离程度，即可得知抛光胶盘与工件之间的微小楔角情况，进而得知抛光胶盘的面形变化情况，即高低圈变化情况。

激光器发出的平行激光束经过聚焦透镜在焦点处形成一激光点光源，即一发射球面波的点光源；第一反射镜的中心孔设置在所述的聚焦透镜的焦点处，第一反射镜的中心孔并设为坐标刻线原点；点光源发出的球面波经第二反射镜反射后垂直射到第一标准镜上，其中一部分球面波经过第一标准镜上表面反射返回，另一部分球面波透过第一标准镜射到第二标准镜上并由第二标准镜的上表面再次反射返回；第一标准镜上表面反射的球面波和第二标准镜的上表面反射的球面波发生干涉并形成同心圆干涉条纹，该干涉条纹沿光路原路返回，经第一反射镜连同坐标刻线一起投射到读数屏上；通过读数屏上的位移测微器的两个测微卡尺来确定同心圆干涉条纹的圆心和坐标刻线原点的距离，从而可以推算得到抛光胶盘与加工的光学工件之间的微小楔角的大小，进而可以得到大型环抛机抛光胶盘的母线在抛光中的变化情况。

该装置的初始化过程如下：首先将光学元件放置到第二标准镜的上表面，控制粗调节螺钉和细调节螺钉调节第一标准镜的位置，使同心圆干涉条纹圆心与坐标刻线原点重合，该过程可称为初始化过程。

本发明的优点是：

本发明大型环抛机抛光胶盘在线检测装置实现了大型环抛机抛光胶盘的自动化检测，减轻了工作人员的劳动强度。采用该装置可以实时的了解抛光胶盘的面形情况，尤其是高低圈状况，大大提高了工作效率。

该装置结构简单，操作方便，稳定可靠，精度较高，不仅大大消除了工件搬运过程的安全性，而且避免了外界杂质的引入而对工件表面造成损伤。

附图说明

图1为本发明大型环抛机抛光胶盘在线检测装置最佳实施例的结构示意图；

图2为该装置的测量原理图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的变换范围。

参阅图1，图1是本发明大型环抛机抛光胶盘在线检测装置最佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明大型环抛机抛光胶盘在线检测装置，该装置包括激光器1，沿该激光器1发出的激光束方向依次是聚焦透镜2、第一反射镜3的中心小孔和第二反射镜4；在第二反射镜4的反射光方向依次是第一标准镜5和第二标准镜6；在第一反射镜3的反射光方向是读数屏9和设置在读数屏9上的位移测微器10；所述的第一反射镜3和第二反射镜4与入射光束的夹角为45°，所述的第一反射镜3的的中心小孔位于所述的聚焦透镜2的焦点，所述的第一反射镜3的反射面上具有以所述的中心小孔为原点的刻线坐标；所述的第一标准镜5的上表面为绝对水平面，在第一标准镜5的两边分别设有粗调节螺钉12和细调节螺钉13，分别对第一标准镜5在垂直方向上位移的粗调和细调；所述的第二标准镜6的上表面也为绝对水平面，放置在处于抛光胶盘8上正在加工的光学元件7的上表面上，抛光胶盘8均匀浇注在大理石抛光盘11上，大理石抛光盘11由电机驱动。所述的第一标准镜5的下表面镀有增透膜。所述的光学元件7的上表面涂有保护胶。

该装置的工作原理如下：

激光器1发出的激光束经过聚焦透镜2在焦点处形成一激光点，即一发射球面波的点光源；第一反射镜3的中心孔位于聚焦透镜2的焦点，并设为坐标刻线原点；点光源发出的球面波经第二反射镜4反射后垂直射到第一标准镜5上，其中一部分球面波经过第一标准镜5上表面反射返回，另一部分球面波透过第一标准镜5射到第二标准镜6上并由第二标准镜6上表面再次反射返回；第一标准镜5上表面反射球面波和第二标准镜6的上表面反射球面波，两束光线发生干涉并形成同心圆干涉条纹，该干涉条纹沿光路原路返回，经第一反射镜3连同坐标刻线一起投射到读数屏9上；通过调节读数屏9上的位移测微器10的两个测微卡尺来确定同心圆干涉条纹圆心和坐标刻线原点的距离，从而可以推算得到抛光胶盘与加工的光学工件之间的微小楔角的大小，进而可以得到大型环抛机抛光胶盘的母线在抛光中的变化情况。

该装置的初始化过程如下：首先将光学元件7放置到第二标准镜6的上表面，控制粗调节螺钉12和细调节螺钉13调节第一标准镜5的位置，使同心圆干涉条纹的圆心与坐标刻线原点重合。

参阅图2，利用该装置的测量原理如下所述：

激光器1发出的激光束方向依次是聚焦透镜2在第一反射镜3的中心孔，犹如发自一个点光源的球面波。如图2所示，以S表示这个等效的点光源；发自点光源S的球面波，经过平行平晶前后两表面反射后，分为两个位相相关的球面波：球面波W₁（由前表面反射所形成）和球面波W₂（由后表面反射所形成）。它们可以看成分别发自S的两个虚像源S₁和S₂。

图2中W₁-平行平晶前表面反射所形成球面波；W₂-平行平晶后表面反射所形成球面波；W₃-显示屏；W₄-平行平晶的前后表面分别表示图1中第一标准镜5的上表面和第二标准镜6的上表面；

S-会聚后形成的点光源；S₁-平行平晶前表面形成的S点的虚像点；S₂-平行平晶后表面形成的S点的虚像点；O-经平行平晶前后两个表面形成的S点的两个虚像点的连线与显示屏的交点；D-显示屏与平行平晶前表面的距离；d-平行平晶的厚度；n-平行平晶的折射率；r_s-点光源S与O点的距离。

由几何光学的成像定律，S₁应是S对于平晶前表面的镜对称点，因而有

此处D为S至被测平行平晶前表面的垂直距离。

S₂的位置和平行平晶的楔角α和折射率n有关，SS₂的连线与SS₁的连线成nα角，偏向平行平晶楔角的方向。在平行平晶的楔角极小的情况下，SS₂可表示为

此处d为平行平晶的厚度。

由虚像源S₁和S₂发出的这两个球面波在反射光束所扩展的空间内将随处叠合相干。由球面波的特点可知：这两个球面波在反射空间中的交线乃是一些同心圆，它们的中心落在S₁S₂连线的延长线上。因此，在屏上将呈现出一组同心圆的干涉条纹，严格来说，只在垂直S₁S₂延长线放置的屏上呈现一组同心圆干涉条纹，而在垂直激光束放置的屏上呈现的，则是一些椭圆干涉条纹。但是，由于平行平晶的楔角极小，这两种放置的屏的方位相差很小，因而，在垂直激光束放置的屏上呈现的干涉条纹也可近似视为同心圆干涉条纹。这些同心圆干涉条纹的中心是在屏和S₁S₂延长线的交点O处。只有在平行平晶的楔角为零的情况下，干涉条纹中心O才与屏中心S重合。一般情况下，干涉条纹中心O与屏中心S不相重合，存在一个偏离量r_s。

在S₁和S₂的位置已经确定的情况下，干涉条纹中心对屏中心的偏离量r_s不难确定。由式（1）和式（2），近似有

$S_1{S}_2=\frac{2d}{n}---\left(3\right)$

由式（3）可知，图2中

代入式（1）和式（3）可得

当nα和θ'都非常小时，近似有

$2\mathrm{Dn\α}\≈\frac{2d}{n}{\mathrm{\θ}}^{\′}---\left(6\right)$

根据式（6）可得

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{2\mathrm{Dn\α}}{S_1{S}_2}=\frac{n^2\mathrm{D\α}}{d}---\left(7\right)$

当nD□d的情况下，nα可以忽略不计，则式（8）可以简化为

$\mathrm{\θ}=\frac{n^{2}D}{d}\mathrm{\α}---\left(9\right)$

另外，由图2可知，

$\mathrm{tg\θ}=\frac{r_s}{S{S}_1}---\left(10\right)$

则可得

r_s＝tgθ·SS₁≈θ·SS₁           （11）

代入式（1）和式（9）可得

$r_s=\frac{{2n}^2{D}^2}{d}\mathrm{\α}---\left(12\right)$

由式（12）可以得到平行平晶的楔角大小

$\mathrm{\α}=\frac{r_{s}d}{{2n}^2{D}^2}---\left(13\right)$

由上述分析表明，通过测量干涉条纹中心对屏中心的偏离量r_s，可以十分灵敏的测量光学平行平晶的极微小的楔角至十分之一秒甚至更小的数量级。

此外，由图2还可以看出，干涉条纹的中心O正好是背离平晶楔角的方向，由此，也可以依据干涉条纹中心在屏上的方位，很快的判断出平行平晶楔角张角的方向。

从以上分析可以得到抛光胶盘与工件之间的微小楔角以及高低圈情况。

本发明提出了一种大型环抛机抛光胶盘在线检测装置，该装置利用激光点光源干涉原理，将一激光束经过透镜聚焦后形成一点光源。该点光源发出具有一定发散角的球面波。此时，利用该球面波干涉而形成的条纹为同心圆条纹。根据该同心圆干涉条纹圆心的偏离程度，即可得知抛光胶盘与工件之间的微小楔角情况，进而得知抛光胶盘的面形变化情况，即高低圈变化情况。该装置基本上实现了大型环抛机抛光胶盘的自动化检测，减轻了工作人员的劳动强度。另外，采用该装置可以实时的了解抛光胶盘的面形情况，尤其是高低圈状况，大大提高了工作效率。该装置结构简单，操作方便，稳定可靠，精度较高，不仅大大消除了工件搬运过程的安全性，而且避免了外界杂质的引入而对工件表面造成损伤。

实验表明，本发明实现了大型环抛机抛光胶盘的自动化检测，减轻了工人劳动强度，避免了工件损伤，保证了工件的表面光洁度，提高了工件的加工效率和安全性。

Claims (3)

1.一种大型环抛机抛光胶盘在线检测装置，该装置包括激光器（1），沿该激光器发出的激光束方向依次是聚焦透镜（2）、第一反射镜（3）的中心小孔和第二反射镜（4）；在第二反射镜（4）的反射光方向依次是第一标准镜（5）和第二标准镜（6）；在第一反射镜（3）的反射光方向是读数屏（9）和设置在读数屏（9）上的位移测微器（10）；所述的第一反射镜（3）和第二反射镜（4）与入射光束的夹角为45°，所述的第一反射镜（3）的的中心小孔位于所述的聚焦透镜（2）的焦点，所述的第一反射镜（3）的反射面上具有以所述的中心小孔为原点的刻线坐标；所述的第一标准镜（5）的上表面为绝对水平面，在第一标准镜（5）的两边分别设有粗调节螺钉（12）和细调节螺钉（13），分别对第一标准镜（5）在垂直方向上位移的粗调和细调；所述的第二标准镜（6）的上表面也为绝对水平面，放置在处于抛光胶盘（8）上正在加工的光学元件（7）的上表面上。

2.根据权利要求1所述的大型环抛机抛光胶盘在线检测装置，其特征在于：所述的第一标准镜（5）的下表面镀有增透膜。

3.根据权利要求1或2所述的大型环抛机抛光胶盘在线检测装置，其特征在于：在所述的光学元件（7）的上表面涂有保护胶。

Images