CN107081640A - 光学元件加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的光学元件加工方法，涉及光学加工技术领域。该光学元件加工方法包括以下步骤：等离子体熔覆抛光、等离子体快速去除和等离子体面形修正。等离子体熔覆抛光用于熔合光学元件亚表面的损伤裂纹以及改善光学元件的表面光洁度。等离子体快速去除用于消除加工过程中产生的表面及亚表面损伤，并使光学元件的面形精度小于等于2μm，光学元件表面粗糙度小于50nm。等离子体面形修正用于完成所述光学元件的表面误差的修正。该光学元件加工方法操控方便，适合批量化加工，加工精度高，效率高。

Description

光学元件加工方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，具体而言，涉及一种光学元件加工方法。

背景技术

光学元件是光学系统中的关键元件，对提高光学性能、简化光路结构等方面具有无法替代的优势。现阶段光学元件的加工工艺路线为“超精密磨削－高效抛光－数控抛光”，其中超精密磨削实现元件精密成形，高效抛光完成大尺度面形误差的快速收敛，并实现磨削产生的表面与亚表面缺陷层的快速去除以及表面光洁度的快速提升，数控抛光实现元件面形确定性修正并达到最终指标。

在高效抛光工艺中，在保持元件面形精度的基础上，去除超精密磨削产生的表面与亚表面缺陷层大约需要15天甚至更长的时间，并且加工曲率变化较大的非球面元件时，抛光模与非球面元件表面吻合度存在一定的偏差，导致元件面形精度降低，从而严重制约了大口径非球面元件的高效抛光加工效率。

有鉴于此，设计制造出一种光学元件加工方法，能够适用于各类型的光学元件的加工，是目前光学加工技术领域中急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学元件加工方法，不仅适用于大口径非球面光学元件的加工，也适用于各种形状的光学元件表面及亚表面的加工，能有效整合等离子体射流的熔覆抛光、高效去除和精细修形等加工优势，利用模块化系列的等离子体射流加工工具，分别完成对大口径非球面光学元件的抛光、成型和修正等加工工艺。同时，将等离子体射流加工与柔性抛光相结合，在大口径非球面光学元件面形精度收敛的基础上，逐步减小光学元件的表面粗糙度。

本发明的目的还在于提供另一种光学元件加工方法，利用模块化系列的等离子体射流加工工具，分别完成对大口径非球面光学元件的抛光、成型和修正等加工工艺。加工效率高，加工精度高。

本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本发明提供的一种光学元件加工方法，采用等离子体复合加工工艺，所述等离子体复合加工工艺包括：

等离子体熔覆抛光，所述等离子体熔覆抛光用于熔合光学元件亚表面的损伤裂纹以及改善所述光学元件的表面光洁度。

等离子体快速去除，所述等离子体快速去除，用于快速去除等离子体熔覆抛光层以及消除所述光学元件的表面及亚表面损伤，并使所述光学元件的面形精度小于等于2μm，所述光学元件表面粗糙度小于50nm。

等离子体面形修正，所述等离子体面形修正用于完成所述光学元件的表面误差的修正。

进一步地，所述等离子体熔覆抛光之前需进行超精密磨削，所述超精密磨削用于对所述光学元件成形；所述超精密磨削形成的所述光学元件，其面形精度小于等于5μm，所述光学元件的亚表面缺陷深度小于等于10μm。

进一步地，所述等离子体熔覆抛光采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的激发功率为100W至3000W，所述等离子体射流的抛光速率为0.1cm²/min至1cm²/min。

进一步地，所述等离子体发生器的气源为氩气。

进一步地，所述等离子体快速去除采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的去除函数的半高宽范围为2mm至20mm，去除深度范围为1μm至1000μm，去除速率范围为5mm³/min至30mm³/min。

进一步地，所述等离子体快速去除后还需进行子口径柔性抛光，所述子口径柔性抛光用于改善所述光学元件的表面光洁度；所述子口径柔性抛光去除所述光学元件表面的材料厚度为1μm至2μm，以使所述光学元件的表面粗糙度小于等于5nm。

进一步地，所述等离子体面形修正结合精密干涉检测技术，完成所述光学元件的表面误差的精密修正，使得所述光学元件的面形误差低于100nm。

进一步地，所述等离子体面形修正采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的去除函数的半高宽范围为0.2mm至2mm，去除深度范围为0.1μm至1μm，去除速率范围为0.1mm³/min至5mm³/min。

进一步地，所述等离子体面形修正后还需进行柔性保形抛光，所述柔性保形抛光采用抛光工具，去除所述光学元件表面的材料厚度为100nm至300nm，以使所述光学元件的表面粗糙度低于1nm。

本发明提供的一种光学元件加工方法，所述光学元件加工方法包括以下工序：超精密磨削、等离子体熔覆抛光、等离子体快速去除、子口径柔性抛光、等离子体面形修正和柔性保形抛光。

所述等离子体快速去除采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的去除函数的半高宽范围为2mm至20mm，去除深度范围为1μm至1000μm，去除速率范围为5mm³/min至30mm³/min。

所述等离子体面形修正采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的去除函数的半高宽范围为0.2mm至2mm，去除深度范围为0.1μm至1μm，去除速率范围为0.1mm³/min至5mm³/min。

所述等离子体发生器的气源包括氩气和CF₄的反应气体，或者所述等离子体发生器的气源包括氩气和SF₆的反应气体，或者氩气和NF₃的反应气体。

本发明提供的光学元件加工方法具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的一种光学元件加工方法，包括超精密磨削、等离子体熔覆抛光、等离子体快速去除、子口径柔性抛光、等离子体面形修正和柔性保形抛光几个步骤，可以满足光学系统对大口径非球面光学元件的批量化、低损伤制造的需求，而且利用等离子体射流加工与柔性抛光相结合，实现在大口径非球面光学元件面形精度收敛的基础上，逐步减小光学元件的表面粗糙度。

本发明提供的另一种光学元件加工方法，利用模块化系列的等离子体射流加工工具，分别完成对大口径非球面光学元件的抛光、成型和修正等加工工艺。加工效率高，加工精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明具体实施例提供的光学元件加工方法的操作流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明具体实施例提供的光学元件加工方法的操作流程图，请参照图1。

本实施例提供的一种光学元件加工方法，应用于非球面光学元件的加工。该光学元件加工方法包括以下完整步骤：超精密磨削、等离子体熔覆抛光、等离子体快速去除、子口径柔性抛光、等离子体面形修正和柔性保形抛光。

S1：超精密磨削。

超精密磨削用于对光学元件成形，将光学元件的坯料高精度成形，外形尺寸达到设计要求，并且使光学元件的面形精度小于等于5μm，光学元件的亚表面缺陷深度小于等于10μm。

S2：等离子体熔覆抛光。

对超精密磨削后的光学元件表面进行熔覆抛光，熔合光学元件亚表面的损伤裂纹以及改善光学元件的表面光洁度。具体地，等离子体熔覆抛光采用等离子体发生器，等离子体发生器用于产生等离子体射流，利用等离子体射流的温度效应使加工元件表面局部产生的热熔合作用，表面材料在不发生去除的情况下局部重新分配，进而实现元件亚表面损伤裂纹的熔合和表面光洁度的改善。根据表面与亚表面缺陷层的深度情况，等离子体射流的激发功率为100W至3000W，等离子体射流的抛光速率为0.1cm²/min至1cm²/min。作为优选，等离子体发生器的气源为氩气。

S3：等离子体快速去除。

等离子体快速去除，用于对光学元件亚表面损伤裂纹的熔合层进行快速去除，消除在前期加工过程中产生的表面及亚表面损伤，并使光学元件的面形精度小于等于2μm，光学元件表面粗糙度小于50nm，有效提高元件整体的加工效率。等离子体快速去除采用等离子体发生器，等离子体发生器用于产生等离子体射流，采用等离子体射流高速去除模式，在等离子体发生器中通入氩气和CF₄的反应气体，或氩气和SF₆的反应气体，或者氩气和NF₃的反应气体，以使等离子体射流的去除函数的半高宽范围为2mm至20mm，去除深度范围为1μm至1000μm，去除速率范围为5mm³/min至30mm³/min。

S4：子口径柔性抛光。

子口径柔性抛光用于对等离子体快速去除后的表面进行抛光，进一步改善表面光洁度，降低光学元件的表面粗糙度。容易理解的是，在等离子体高速去除的过程中，基于化学反应原理方式去除了光学元件的表面及亚表面损伤，但化学反应去除对表面粗糙度并没有明显的减少作用。因此，子口径柔性抛光还将采取去除机理，去除光学元件表面的材料厚度为1μm至2μm，以使光学元件的表面粗糙度小于等于5nm。

S5：等离子体面形修正。

等离子体面形修正结合精密干涉检测技术，完成光学元件的表面误差的精密修正，使得光学元件的面形误差低于100nm。由于大口径非球面光学元件加工指标要求较高，仅采用等离子体快速去除加工难以实现大口径非球面光学元件的高精度控制要求，必须在等离子体快速去除工序后增加等离子体修正工序来完成光学元件表面误差的精密修正。等离子体面形修正采用等离子体发生器，等离子体发生器用于产生等离子体射流，等离子体射流的去除函数的半高宽范围为0.2mm至2mm，去除深度范围为0.1μm至1μm，去除速率范围为0.1mm³/min至5mm³/min，以完成光学元件的面形精度的收敛控制。

需要说明的是，在等离子体快速去除和等离子体面形修正的加工工序中，等离子体发生器的气源采用的是氩气和CF₄的反应气体，或者等离子体发生器的气源包括氩气和SF₆的反应气体，或者氩气和NF₃的反应气体。

S6：柔性保形抛光。

对等离子体面形修正后，需对光学元件表面进行柔性保形抛光，在不改变面形精度的条件下，采用压力更小的柔性保形抛光工具，使元件表面质量达到加工指标要求。柔性保形抛光采用抛光工具，去除光学元件表面的材料厚度为100nm至300nm，减小表面粗糙度，以使光学元件的表面粗糙度低于1nm。

S7：终检。完成对光学元件的复合加工后，最终拿去检验，检验加工后的产品是否符合要求。

本发明提供的另一种光学元件加工方法，光学元件加工方法包括以下完整工序：超精密磨削、等离子体熔覆抛光、等离子体快速去除、子口径柔性抛光、等离子体面形修正和柔性保形抛光。超精密磨削用于对光学元件成形，并且使光学元件的面形精度小于等于5μm，光学元件的亚表面缺陷深度小于等于10μm；等离子体熔覆抛光，用于熔合光学元件亚表面的损伤裂纹以及改善光学元件的表面光洁度。等离子体快速去除，用于消除加工过程中产生的表面及亚表面损伤，并使光学元件的面形精度小于等于2μm，光学元件表面粗糙度小于50nm。

等离子体快速去除采用等离子体发生器，等离子体发生器用于产生等离子体射流，等离子体射流的去除函数的半高宽范围为2mm至20mm，去除深度范围为1μm至1000μm，去除速率范围为5mm³/min至30mm³/min。

等离子体面形修正采用等离子体发生器，等离子体发生器用于产生等离子体射流，等离子体射流的去除函数的半高宽范围为0.2mm至2mm，去除深度范围为0.1μm至1μm，去除速率范围为0.1mm³/min至5mm³/min。

等离子体发生器的气源包括氩气和CF₄的反应气体，或者等离子体发生器的气源包括氩气和SF₆的反应气体，或者氩气和NF₃的反应气体。

综上所述，本发明提供的光学元件加工方法具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的光学元件加工方法，采用等离子体复合加工工艺，适用于各种类型的光学元件表面加工，特别适用于大口径非球面光学元件表面及亚表面的加工。首先，采用非接触的射流加工方式完成亚表面微裂纹的熔合、高效去除及面形修正等工序，避免了传统接触式压力去除方式过程中引入亚表面损伤和加工周期长的问题。其次，有效整合等离子体射流的熔覆抛光、高效去除和精细修形等加工优势，利用模块化系列的等离子体射流加工工具，分别完成对大口径非球面光学元件亚表面微裂纹的熔合、表面抛光、快速去除和面形精细修正等加工工艺。最后，充分发挥等离子体射流加工与柔性抛光的加工优势，利用化学反应原理的等离子体射流逐步实现大口径非球面光学元件面形精度收敛，结合柔性抛光逐步减小光学元件的表面粗糙度，最终达到光学元件的加工指标。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学元件加工方法，其特征在于，采用等离子体复合加工工艺，所述等离子体复合加工工艺包括：

等离子体熔覆抛光，所述等离子体熔覆抛光用于熔合光学元件亚表面的损伤裂纹以及改善所述光学元件的表面光洁度；

等离子体快速去除，所述等离子体快速去除，用于快速去除等离子体熔覆抛光层以及消除所述光学元件的表面及亚表面损伤，并使所述光学元件的面形精度小于等于2μm，所述光学元件表面粗糙度小于50nm；

等离子体面形修正，所述等离子体面形修正用于完成所述光学元件的表面误差的修正。

2.根据权利要求1所述的光学元件加工方法，其特征在于，所述等离子体熔覆抛光之前需进行超精密磨削，所述超精密磨削用于对所述光学元件成形；所述超精密磨削形成的所述光学元件，其面形精度小于等于5μm，所述光学元件的亚表面缺陷深度小于等于10μm。

3.根据权利要求1所述的光学元件加工方法，其特征在于，所述等离子体熔覆抛光采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的激发功率为100W至3000W，所述等离子体射流的抛光速率为0.1cm²/min至1cm²/min。

4.根据权利要求3所述的光学元件加工方法，其特征在于，所述等离子体发生器的气源为氩气。

5.根据权利要求1所述的光学元件加工方法，其特征在于，所述等离子体快速去除采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的去除函数的半高宽范围为2mm至20mm，去除深度范围为1μm至1000μm，去除速率范围为5mm³/min至30mm³/min。

6.根据权利要求1所述的光学元件加工方法，其特征在于，所述等离子体快速去除后还需进行子口径柔性抛光，所述子口径柔性抛光用于改善所述光学元件的表面光洁度；所述子口径柔性抛光去除所述光学元件表面的材料厚度为1μm至2μm，以使所述光学元件的表面粗糙度小于等于5nm。

7.根据权利要求1所述的光学元件加工方法，其特征在于，所述等离子体面形修正结合精密干涉检测技术，完成所述光学元件的表面误差的精密修正，使得所述光学元件的面形误差低于100nm。

8.根据权利要求7所述的光学元件加工方法，其特征在于，所述等离子体面形修正采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的去除函数的半高宽范围为0.2mm至2mm，去除深度范围为0.1μm至1μm，去除速率范围为0.1mm³/min至5mm³/min。

9.根据权利要求1所述的光学元件加工方法，其特征在于，所述等离子体面形修正后还需进行柔性保形抛光，所述柔性保形抛光采用抛光工具，去除所述光学元件表面的材料厚度为100nm至300nm，以使所述光学元件的表面粗糙度低于1nm。

10.一种光学元件加工方法，其特征在于，所述光学元件加工方法包括以下工序：超精密磨削、等离子体熔覆抛光、等离子体快速去除、子口径柔性抛光、等离子体面形修正和柔性保形抛光；

所述等离子体快速去除采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的去除函数的半高宽范围为2mm至20mm，去除深度范围为1μm至1000μm，去除速率范围为5mm³/min至30mm³/min；

所述等离子体面形修正采用等离子体发生器，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流，所述等离子体射流的去除函数的半高宽范围为0.2mm至2mm，去除深度范围为0.1μm至1μm，去除速率范围为0.1mm³/min至5mm³/min；

所述等离子体发生器的气源包括氩气和CF₄的反应气体，或者所述等离子体发生器的气源包括氩气和SF₆的反应气体，或者氩气和NF₃的反应气体。