CN108789117A - 米级大口径光学元件高效抛光机及抛光方法 - Google Patents

米级大口径光学元件高效抛光机及抛光方法 Download PDF

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Abstract

一种米级大口径光学元件高效抛光机及抛光方法，抛光机包括搅拌器、小水盆、大理石盘、大水盆、机架、工件环固定件、前后手轮、工件环、工件环驱动器、上下手轮、小叶轮泵、大叶轮泵、注液桶、靠轮、工件环支撑件、电机、抛光垫和转盘轴承。本发明可对米级大口径光学元件进行加工，采用超高平面度精度大理石盘来确保光学元件的面形精度，多个工位可以同时加工光学元件，工件环采用悬浮结构、循环注液、浸没式抛光等技术，大大提高了光学元件的加工效率，降低加工成本。

Description

米级大口径光学元件高效抛光机及抛光方法
技术领域
本发明涉及大口径光学元件加工，特别是一种米级大口径光学元件高效抛光机及抛光方法。
背景技术
传统的环形抛光机一般有一个校正盘和两个工位加工光学元件，环形抛光机采用的是沥青模盘，盘面面形很容易发生改变，因此需要调节校正盘来调整蜡盘的面形，从而对光学元件进行加工，所以只有使用了校正盘，环形抛光机才具有工件面形的调节功能。而正是沥青盘和校正盘的使用使得环形抛光机加工效率降低，面形收敛率降低。米级大口径光学元件由于其口径大，抛光时接触面温度分布不均匀，导致热集聚效应对面形有一定的影响。专利201610856602.6提出了一种环形抛光机避免了校正板的使用，专利201310293836.0提出了大型浸没式环抛机，这两篇专利均使用面形易变的沥青胶盘，因而在抛光过程中需要反复调节沥青面形来抛光光学元件，面形收敛率没有办法得到保证，加工效率低。
发明内容
本发明提出一种米级大口径光学元件高效抛光机及抛光方法，该抛光机采用高面形精度大理石盘保证光学元件的面形，采用不易变形的抛光垫来确保光学元件高面形精度的加工，这样就可以完全不需要使用校正盘，大大提高了加工效率；同时采用工件环悬浮结构设计，减少了抛光过程中杂质颗粒物的引入，大大提高了表面质量；采用浸没式抛光和悬浮注液方式，减少了抛光过程中的热集聚现象。
本发明的技术解决方案如下：
一种米级大口径光学元件高效抛光机，特征在于该抛光机包括搅拌器、小水盆、大理石盘、大水盆、机架、工件环固定件、前后手轮、工件环、工件环驱动器、上下手轮、小叶轮泵、大叶轮泵、注液桶、靠轮、工件环支撑件、电机、抛光垫和转盘轴承。
所述的机架由六边形的六个顶角处的支撑架支撑并置于地面上，所述的大水盆的外围固定在所述的机架的内侧，内围延伸至大理石盘的下面；在所述的机架上的周边均匀地设有多个工件环固定件(在具体实施方式中具体描述工件环固定件的情况)，该工件环固定件有水平导轨和垂直导轨，分别有前后手轮和上下手轮来控制调节所述的工件环的水平和垂直的运动，所述的工件环支撑件固定在所述的工件环固定件上，所述的工件环通过卡槽限定在所述的工件环支撑件的内，并由工件环支撑件支撑，所述的工件环由固定在所述的工件环固定件上的工件环驱动器通过靠轮驱动转动；所述的大理石盘上贴有抛光垫，所述的大理石盘的外围设有一圈密闭的小水盆，大理石盘通过转盘轴承与电机连接，所述的电机固定在地面上，该电机驱动所述的大理石盘的运动；所述的搅拌器固定在机架空余的一角上，该搅拌器的搅拌头伸入所述的小水盆的槽内；循环注液桶放置在所述的机架旁边地上，使用小叶轮泵将小水盆中的抛光液泵到所述的循环注液桶中，使用大叶轮泵将注液桶中的抛光液泵回所述的小水盆中。
所述的米级大口径光学元件高效抛光机进行光学元件的抛光方法，特征在于该方法包括如下步骤：
1)平面度000级大理石盘的修形，包括下列步骤：
①采用双频激光干涉仪测量大理石盘表面的平面度；
②所述的循环注液桶在修盘过程中用来盛装抛光液，修盘开始前，用大叶轮泵将小水盆中的抛光液泵到所述的循环注液桶中；采用大理石盘抛光机对所述的大理石盘表面进行研抛，修形；
③将大理石盘表面清洗干净，再用双频激光干涉仪测量大理石盘表面的平面度，若平面度满足000级要求，则进入下一步，否则返回步骤②；
2)采用修盘器对所述的大理石盘上粘贴的抛光垫的表面进行修形，所述的修盘器包括圆盘形大理石和金刚石丸片，该圆盘形大理石的直径约为所述的大理石盘直径的1/3，平面度优于0.01mm；所述金刚石丸片通过胶水粘贴在所述的大理石盘上，精密研磨至所述修盘器的平面度为0.005mm以上；采用所述修盘器对抛光垫表面的氧化层完全去除则修盘结束；采用双频激光干涉仪测量抛光垫的平面度，进行下一步；
3)将待加工的光学元件上盘：将待加工的光学元件放置在所述的工件环内的大理石盘上，用小叶轮泵将抛光液泵回到小水盆中，实现抛光液的循环使用；所述的小水盆固定在大理石盘的四周形成密闭的结构，里面可以装载抛光液，抛光液面略高于所述的大理石盘抛光垫盘面约0-1cm，形成浸没式抛光；所述的小水盆中的抛光液由搅拌器搅拌，保证浸没式抛光液的悬浮性，所述的搅拌器固定在机架上，搅拌头伸入小水盆内的抛光液内，并低于大理石盘抛光垫盘面；
通过所述的上下手轮调节所述的工件环的高度，使所述的工件环悬浮并且底面不能高于待加工的光学元件的上表面；根据步骤2)中抛光垫的平面度的检测结果，摇动前后手轮调节所述的工件环的偏心距使工件环在径向偏向平面度的高点处；启动米级大口径光学元件高效抛光机对光学元件进行抛光加工；
4)光学元件下盘检测：抛光足够时间大于2小时后，停止米级大口径光学元件高效抛光机，将光学元件取下，采用干涉仪检测抛光后的单面反射面型，PV达到波长级则进入下一步否则返回步骤2)；
5)加工完成。
本发明中的大理石盘的平面度是000级要求，大理石盘的盘面为Φ2.8m，按照GB4987-85标准计算，大理石盘的平面度要优于5μm。抛光可以看成是光学元件和抛光盘不断摩擦贴合的过程，一段时间后可近似认为光学元件与抛光盘完全贴合。在完全贴合的条件下，抛光盘面可以近似为一个球面，假设抛光盘的平面度为微米级，即nμm(n＝1～5)，抛光垫的半径为1.4m，则抛光盘拟合的球的半径R＝980000/n(m)。
则光学元件半径r、PV(h)与抛光模拟合的球的关系为：
取光学元件的直径为1m，则h＝0.13nμm，其中n＝1～5，则光学元件面形为波长级。
本发明的技术优点是：
本发明抛光机采用高面形精度大理石盘，保证光学元件的面形，采用不易变形的抛光垫来确保光学元件高面形精度的加工，这样就可以完全不需要使用校正盘，大大提高了加工效率；同时采用工件环悬浮结构设计，减少了抛光过程中杂质颗粒物的引入，大大提高了表面质量；采用浸没式抛光和悬浮注液方式，减少了抛光过程中的热集聚现象。
本发明可对米级大口径光学元件进行加工，多个工位可以同时加工光学元件，采用000级超高平面精度的大理石盘，保证光学元件的加工面形精度，避免了反复调节沥青面形的过程，提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明米级大口径光学元件高效抛光机实施例1的结构示意图；
图2为本发明米级大口径光学元件高效抛光机实施例1的剖视图；
图3为光学元件与抛光垫完全贴合的模型示意图；
图中：1-搅拌器；2-小水盆；3-大理石盘；4-大水盆；5-机架；6-工件环固定件；7-前后手轮；8-工件环；9-工件环驱动器；10-上下手轮；11-小叶轮泵；12-大叶轮泵；13-循环注液桶；14-靠轮；15-工件环支撑件；16-电机，17-抛光垫，18-转盘轴承。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图1和图2，图1为本发明一种米级大口径光学元件高效抛光机结构示意图，图2为本发明米级大口径光学元件高效抛光机实施例1的剖视图。由图可见，本发明一种米级大口径光学元件高效抛光机，特征在于该抛光机包括搅拌器1、小水盆2、大理石盘3、大水盆4、机架5、工件环固定件6、前后手轮7、工件环8、工件环驱动器9、上下手轮10、小叶轮泵11、大叶轮泵12、注液桶13、靠轮14、工件环支撑件15、电机16、抛光垫17和转盘轴承18。
所述的机架5由六边形的六个顶角处的支撑架支撑并置于地面上，所述的大水盆4的外围固定在所述的机架5的内侧，内围延伸至大理石盘3的下面；在所述的机架5上的周边均匀地设有多个工件环固定件6(在具体实施方式中具体描述工件环固定件6的情况)，该工件环固定件6有水平导轨和垂直导轨，分别有前后手轮7和上下手轮10来控制调节所述的工件环8的水平和垂直的运动，所述的工件环支撑件15固定在所述的工件环固定件6上，所述的工件环8通过卡槽限定在所述的工件环支撑件15的内，并由工件环支撑件15支撑，所述的工件环8由固定在所述的工件环固定件6上的工件环驱动器9通过靠轮14驱动转动；所述的大理石盘3上贴有抛光垫17，所述的大理石盘3的外围设有一圈密闭的小水盆2，大理石盘3通过转盘轴承18与电机16连接，所述的电机16固定在地面上，该电机16驱动所述的大理石盘3的运动；所述的搅拌器1固定在机架5空余的一角上，该搅拌器1的搅拌头伸入所述的小水盆2的槽内；循环注液桶13放置在所述的机架5旁边地上，使用小叶轮泵11将小水盆2中的抛光液泵到所述的循环注液桶13中，使用大叶轮泵12将注液桶13中的抛光液泵回所述的小水盆2中。
所述的米级大口径光学元件高效抛光机进行光学元件的抛光方法，特征在于该方法包括如下步骤：
1)平面度000级大理石盘3的修形，包括下列步骤：
①采用双频激光干涉仪测量大理石盘3表面的平面度；
②所述的循环注液桶13在修盘过程中用来盛装抛光液，修盘开始前，用大叶轮泵12将小水盆2中的抛光液泵到所述的循环注液桶13中；采用大理石盘抛光机对所述的大理石盘3表面进行研抛，修形；
③将大理石盘3表面清洗干净，再用双频激光干涉仪测量大理石盘3表面的平面度，若平面度满足000级要求，则进入下一步，否则返回步骤②；
2)采用修盘器对所述的大理石盘3上粘贴的抛光垫17的表面进行修形，所述的修盘器包括圆盘形大理石和金刚石丸片，该圆盘形大理石的直径约为所述的大理石盘3直径的1/3，平面度优于0.01mm；所述金刚石丸片通过胶水粘贴在所述的大理石盘上，精密研磨至所述修盘器的平面度为0.005mm以上；采用所述修盘器对抛光垫17表面的氧化层完全去除则修盘结束；采用双频激光干涉仪测量抛光垫17的平面度，进行下一步；
3)将待加工的光学元件上盘：将待加工的光学元件放置在所述的工件环8内的大理石盘3上，用小叶轮泵11将抛光液泵回到小水盆2中，实现抛光液的循环使用；所述的小水盆2固定在大理石盘3的四周形成密闭的结构，里面可以装载抛光液，抛光液面略高于所述的大理石盘3抛光垫盘面约0-1cm，形成浸没式抛光；所述的小水盆2中的抛光液由搅拌器1搅拌，保证浸没式抛光液的悬浮性，所述的搅拌器1固定在机架5上，搅拌头伸入小水盆2内的抛光液内，并低于大理石盘3抛光垫盘面；
通过所述的上下手轮10调节所述的工件环8的高度，使所述的工件环8悬浮并且底面不能高于待加工的光学元件的上表面；根据步骤2)中抛光垫17的平面度的检测结果，摇动前后手轮7调节所述的工件环8的偏心距使工件环8在径向偏向平面度的高点处；启动米级大口径光学元件高效抛光机对光学元件进行抛光加工；
4)光学元件下盘检测：抛光足够时间大于2小时后，停止米级大口径光学元件高效抛光机，将光学元件取下，采用干涉仪检测抛光后的单面反射面型，PV达到波长级则进入下一步否则返回步骤2)；
5)加工完成。
实验表明，本发明可对米级大口径光学元件进行加工，多个工位可以同时加工光学元件，采用000级超高平面精度的大理石盘，保证光学元件的加工面形精度，避免了反复调节沥青面形的过程，提高了加工效率。

Claims (2)

1.一种米级大口径光学元件高效抛光机，其特征在于该抛光机包括搅拌器(1)、小水盆(2)、大理石盘(3)、大水盆(4)、机架(5)、工件环固定件(6)、前后手轮(7)、工件环(8)、工件环驱动器(9)、上下手轮(10)、小叶轮泵(11)、大叶轮泵(12)、注液桶(13)、靠轮(14)、工件环支撑件(15)、电机(16)、抛光垫(17)和转盘轴承(18)，
所述的机架(5)由六边形的六个顶角处的支撑架支撑并置于地面上，所述的大水盆(4)的外围固定在所述的机架(5)的内侧，内围延伸至大理石盘(3)的下面；在所述的机架(5)上的周边均匀地设有多个工件环固定件(6)，该工件环固定件(6)有水平导轨和垂直导轨，分别有前后手轮(7)和上下手轮(10)来控制调节所述的工件环(8)的水平和垂直的运动，所述的工件环支撑件(15)固定在所述的工件环固定件(6)上，所述的工件环(8)通过卡槽限定在所述的工件环支撑件(15)的内，并由工件环支撑件(15)支撑，所述的工件环(8)由固定在所述的工件环固定件(6)上的工件环驱动器(9)通过靠轮(14)驱动转动；所述的大理石盘(3)上贴有抛光垫(17)，所述的大理石盘(3)的外围设有一圈密闭的小水盆(2)，大理石盘(3)通过转盘轴承(18)与电机(16)连接，所述的电机(16)固定在地面上，该电机(16)驱动所述的大理石盘(3)的运动；所述的搅拌器(1)固定在机架(5)空余的一角上，该搅拌器(1)的搅拌头伸入所述的小水盆(2)的槽内；所述的循环注液桶(13)放置在所述的机架(5)旁边地面上，使用小叶轮泵(11)将小水盆(2)中的抛光液泵到所述的循环注液桶(13)中，使用大叶轮泵(12)将注液桶(13)中的抛光液泵回所述的小水盆(2)中。
2.利用权利要求1所述的米级大口径光学元件高效抛光机进行光学元件的抛光方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)平面度000级大理石盘(3)的修形，包括下列步骤：
①采用双频激光干涉仪测量大理石盘(3)表面的平面度；
②所述的循环注液桶(13)在修盘过程中用来盛装抛光液，修盘开始前，用大叶轮泵(12)将小水盆(2)中的抛光液泵到所述的循环注液桶(13)中；采用大理石盘抛光机对所述的大理石盘(3)表面进行研抛，修形；
③将大理石盘(3)表面清洗干净，再用双频激光干涉仪测量大理石盘(3)表面的平面度，若平面度满足000级要求，则进入下一步，否则返回步骤②；
2)采用修盘器对所述的大理石盘(3)上粘贴的抛光垫(17)的表面进行修形，所述的修盘器包括圆盘形大理石和金刚石丸片，该圆盘形大理石的直径约为所述的大理石盘(3)直径的1/3，平面度优于0.01mm；所述金刚石丸片通过胶水粘贴在所述的大理石盘上，精密研磨至所述修盘器的平面度为0.005mm以上；采用所述修盘器对抛光垫(17)表面的氧化层完全去除则修盘结束；采用双频激光干涉仪测量抛光垫(17)的平面度，进行下一步；
3)将待加工的光学元件上盘：将待加工的光学元件放置在所述的工件环(8)内的大理石盘(3)上，用小叶轮泵(11)将抛光液泵回到小水盆(2)中，实现抛光液的循环使用；所述的小水盆(2)固定在大理石盘(3)的四周形成密闭的结构，里面可以装载抛光液，抛光液面略高于所述的大理石盘(3)抛光垫盘面约0-1cm，形成浸没式抛光；所述的小水盆(2)中的抛光液由搅拌器(1)搅拌，保证浸没式抛光液的悬浮性，所述的搅拌器(1)固定在机架(5)上，搅拌头伸入小水盆(2)内的抛光液内，并低于所述的大理石盘(3)抛光垫盘面；
通过所述的上下手轮(10)调节所述的工件环(8)的高度，使所述的工件环(8)悬浮并且底面不能高于待加工的光学元件的上表面；根据步骤2)中抛光垫(17)的平面度的检测结果，摇动前后手轮(7)调节所述的工件环(8)的偏心距，使工件环(8)在径向偏向平面度的高点处；启动米级大口径光学元件高效抛光机对光学元件进行抛光加工；
4)光学元件下盘检测：抛光时间大于2小时后，停止米级大口径光学元件高效抛光机，将光学元件取下，采用干涉仪检测抛光后的单面反射面型，PV达到波长级则进入下一步，否则返回步骤2)；
5)加工完成。
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