CN110682165B - 一种平面光学元件及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种平面光学元件及其加工方法，包括研磨待加工平面光学元件的第一表面，使研磨后第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，得到第一平面光学元件；抛光研磨后第一表面，使抛光后第一表面的反射面形误差数据小于第二面形误差阈值，得到第二平面光学元件；研磨第二平面光学元件的第二表面，使研磨后第二平面光学元件的等厚误差值小于厚度误差阈值，得到第三平面光学元件，其中，第二表面与第一表面相对；抛光第三平面光学元件的第一表面和第二表面，使抛光后第三平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，得到平面光学元件。该加工方法使平面光学元件平行度加工精度得到提高。

Description

一种平面光学元件及其加工方法

技术领域

本申请涉及光学元件加工技术领域，特别是涉及一种平面光学元件及其加工方法。

背景技术

蓝宝石平面窗口元件是一种常见平面光学元件，蓝宝石因具有优良的光学、机械、化学以及电性能，特别是具有红外透过率高等特性，因此作为红外窗口材料。蓝宝石平面窗口元件在应用装置中主要起到光学观测窗口的作用，具有外形尺寸大、平行度指标要求高、材料硬度高等特点。

目前，平面光学元件的加工方法主要采用高速双面抛光方法，加工后的元件表面粗糙度指标较高，对于大口径平面窗口元件的高精度加工而言，高速双面抛光方法使得平行度加工精度不足，不能满足现代军用装备对其提出的综合技术指标要求。

因此，如何提供一种提高平行度加工精度的方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种平面光学元件及其加工方法，以提高平面光学元件的平行度加工精度。

为解决上述技术问题，本申请提供一种平面光学元件加工方法，包括：

研磨待加工平面光学元件的第一表面，使研磨后第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，得到第一平面光学元件；

抛光所述研磨后第一表面，使抛光后第一表面的反射面形误差数据小于第二面形误差阈值，得到第二平面光学元件；

研磨所述第二平面光学元件的第二表面，使研磨后第二平面光学元件的等厚误差值小于厚度误差阈值，得到第三平面光学元件，其中，所述第二表面与所述第一表面相对；

抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面，使抛光后第三平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，得到平面光学元件。

可选的，在得到平面光学元件之后，还包括：

抛光所述平面光学元件的第一表面或第二表面，并测量经过抛光的平面光学元件的透射波前误差和第二等厚干涉条纹平均间距；

判断所述透射波前误差是否小于等于透射波前阈值且所述第二等厚干涉条纹平均间距是否大于所述间距阈值；

若否，根据预设加工路径，利用子口径抛光加工去除函数进行抛光修正，直至所述透射波前误差小于等于透射波前阈值且所述第二等厚干涉条纹平均间距大于所述间距阈值，得到再加工平面光学元件。

可选的，所述预设加工路径为光栅式加工路径、螺旋线加工路径、随机加工路径中的任一种加工路径。

可选的，所述抛光所述研磨后第一表面包括：

采用特种抛光垫抛光技术，抛光所述研磨后第一表面。

可选的，所述抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面包括：

采用特种抛光垫抛光技术，抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面。

可选的，在测量所述第一等厚干涉条纹平均间距时，平面干涉仪的测量波长为632.8纳米。

可选的，所述研磨待加工平面光学元件的第一表面包括：

采用分级研磨的方式，研磨待加工平面光学元件的第一表面。

可选的，所述研磨待加工平面光学元件的第一表面包括：

利用碳化硼磨料研磨待加工平面光学元件的第一表面。

本申请还提供一种平面光学元件，所述平面光学元件为上述任一种平面光学元件加工方法得到的平面光学元件。

本申请所提供的平面光学元件加工方法，包括：研磨待加工平面光学元件的第一表面，使研磨后第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，得到第一平面光学元件；抛光所述研磨后第一表面，使抛光后第一表面的反射面形误差数据小于第二面形误差阈值，得到第二平面光学元件；研磨所述第二平面光学元件的第二表面，使研磨后第二平面光学元件的等厚误差值小于厚度误差阈值，得到第三平面光学元件，其中，所述第二表面与所述第一表面相对；抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面，使抛光后第三平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，得到平面光学元件。

可见，本申请中的平面光学元件加工方法通过对待加工平面光学元件的第一表面进行研磨直至第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，再对第一表面进行抛光直至反射波前值小于第二面形误差阈值，对平面光学元件的第二表面进行研磨，使得平面光学元件的第一表面和第二表面等厚误差值小于厚度误差阈值，进一步对第一表面和第二表面进行抛光，使平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，使得平面光学元件平行度加工精度得到提高。此外本申请还提供一种具有上述优点的平面光学元件。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请所提供的一种平面光学元件加工方法的流程图；

图2为本申请所提供的另一种平面光学元件加工方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，目前，平面光学元件的加工方法主要采用高速双面抛光方法，加工后的元件表面粗糙度指标较高，对于大口径平面窗口元件的高精度加工而言，高速双面抛光方法使得平行度加工精度不足，不能满足现代军用装备对其提出的综合技术指标要求。

有鉴于此，本申请提供了一种平面光学元件加工方法，请参考图1，图1为本申请所提供的一种平面光学元件加工方法的流程图，该方法包括：

步骤S101：研磨待加工平面光学元件的第一表面，使研磨后第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，得到第一平面光学元件。

具体的，研磨待加工平面光学元件的第一表面，利用三坐标测量机测量研磨后第一表面的反射面形误差数据，判断反射面形误差数据是否小于第一面形误差阈值，若否，则继续研磨，直至反射面形误差数据小于第一面形误差阈值。其中，第一面形误差阈值可以设置为5μm，当然根据实际情况进行调整。

在研磨过程中，利用面形刀口尺对第一表面进行测试，根据测试结果对研磨加工参数，如研磨盘平面度、研磨盘转速和摆架转速等进行参数优化，具体的参数优化过程已为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。

需要说明的是，第一表面为待加工平面光学元件的上表面或者下表面，本实施中不做具体限定。一般的，待加工平面光学元件的上表面和下表面为圆形，但是本实施例中也不做具体限定，还可以为矩形、正方形等。

步骤S102：抛光所述研磨后第一表面，使抛光后第一表面的反射面形误差数据小于第二面形误差阈值，得到第二平面光学元件。

具体的，利用高精度单轴平面机床对研磨后第一表面进行抛光处理，并利用平面干涉仪检测抛光后的第一表面的反射面形误差数据，判断反射面形误差数据是否小于第二面形误差阈值，若否，则继续抛光，直至抛光后第一表面的反射面形误差数据小于第二面形误差阈值。其中，第二面形误差阈值可以设置为2λ，当然根据实际情况进行调整，λ为平面干涉仪的检测波长。

步骤S103：研磨所述第二平面光学元件的第二表面，使研磨后第二平面光学元件的等厚误差值小于厚度误差阈值，得到第三平面光学元件，其中，所述第二表面与所述第一表面相对。

具体的，利用单轴研磨抛光机床研磨第二平面光学元件的第二表面，以第一表面为标准面，采用等厚测量装置进行等厚测量，判断研磨后第二平面光学元件的等厚误差值是否小于厚度误差阈值，若否，则继续研磨第二表面，直至研磨后第二平面光学元件的等厚误差值小于厚度误差阈值。其中，厚度误差阈值可以设置为0.006毫米。

进一步地，进行等厚测量时，可以选择研磨后第二平面光学元件边缘八个位置点进行测量。

步骤S104：抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面，使抛光后第三平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，得到平面光学元件。

具体的，利用单轴精密抛光机对第三平面光学元件的第一表面和第二表面进行抛光，并采用平面干涉仪对抛光后第三平面光学元件的平行度进行测量，判断表示平行度的第一等厚干涉条纹平均间距是否大于间距阈值，若否，则继续抛光第一表面和第二表面，直至第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值。其中，间距阈值可以设置为12.3毫米，当然可以根据实际情况进行调整。

在抛光过程中，通过优化配重参数、单轴机转速、摆架摆速、第三平面光学元件自转转速等各种参数，使得第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值。

需要说明的是，本实施例中对平面干涉仪的口径不做具体限定，只要满足大于被测平面光学元件的通光口径即可。

本实施例中的平面光学元件加工方法通过对待加工平面光学元件的第一表面进行研磨直至第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，再对第一表面进行抛光直至反射波前值小于第二面形误差阈值，对平面光学元件的第二表面进行研磨，使得平面光学元件的第一表面和第二表面等厚误差值小于厚度误差阈值，进一步对第一表面和第二表面进行抛光，使平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，使得平面光学元件平行度加工精度得到提高，使得平行度不大于3"。

请参考图2，图2为本申请实施例所提供的另一种平面光学元件加工方法的流程图，该方法包括：

步骤S201：研磨待加工平面光学元件的第一表面，使研磨后第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，得到第一平面光学元件。

步骤S202：抛光所述研磨后第一表面，使抛光后第一表面的反射面形误差数据小于第二面形误差阈值，得到第二平面光学元件。

步骤S203：研磨所述第二平面光学元件的第二表面，使研磨后第二平面光学元件的等厚误差值小于厚度误差阈值，得到第三平面光学元件，其中，所述第二表面与所述第一表面相对。

步骤S204：抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面，使抛光后第三平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，得到平面光学元件。

步骤S205：抛光所述平面光学元件的第一表面或第二表面，并测量经过抛光的平面光学元件的透射波前误差和第二等厚干涉条纹平均间距。

具体的，采用低缺陷抛光工艺，利用数控研磨抛光机对平面光学元件的第一表面或第二表面进行抛光，并测量经过抛光的平面光学元件的透射波前误差和第二等厚干涉条纹平均间距。

步骤S206：判断所述透射波前误差是否小于透射波前阈值且所述第二等厚干涉条纹平均间距是否大于所述间距阈值。

步骤S207：若否，根据预设加工路径，利用子口径抛光加工去除函数进行抛光修正，直至所述透射波前误差小于等于透射波前阈值且所述第二等厚干涉条纹平均间距大于所述间距阈值，得到再加工平面光学元件。

具体的，当不满足透射波前误差小于等于透射波前阈值且第二等厚干涉条纹平均间距大于所述间距阈值时，利用子口径抛光加工去除函数进行透射波前的抛光修正，单次驻留时间为T，判断是否满足透射波前误差小于等于透射波前阈值且第二等厚干涉条纹平均间距大于所述间距阈值，若否，则继续进行抛光，直至满足透射波前误差小于等于透射波前阈值且第二等厚干涉条纹平均间距大于所述间距阈值。其中，透射波前阈值可以设置为λ/2；单次驻留时间为通过面形误差数据和子口径抛光加工去除函数经过反卷积计算得到。

优选的，子口径抛光加工去除函数由实验方法得到，通过实验方法得到的加工去除函数是最接近实际加工情况的，可以加快透射波前和面形误差数据的收敛效率。具体实验过程已为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。

可以理解的是，若透射波前误差小于等于透射波前阈值且第二等厚干涉条纹平均间距大于所述间距阈值，则停止抛光，加工过程结束。

需要指出的是，本实施例中对预设加工路径不做具体限定，可视情况而定。例如，所述预设加工路径为光栅式加工路径、螺旋线加工路径、随机加工路径中的任一种加工路径。

本实施例通过平面光学元件的第一表面或第二表面进行抛光，使得到的再加工平面光学元件透射波前误差小于等于透射波前阈值且第二等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，不仅使得再加工平面光学元件的平行度精度得到提升，而且使得透射波前的精度得到提升

优选地，在本申请的一个实施例中，所述抛光所述研磨后第一表面包括：

采用特种抛光垫抛光技术，抛光所述研磨后第一表面，使得抛光后第一表面的光洁度高，粗糙度小，面形保持度好。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面包括：

采用特种抛光垫抛光技术，抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面。

本实施例中的加工方法，抛光研磨后第一表面以及第三平面光学元件的第一表面和第二表面的抛光技术均采用特种抛光垫抛光技术进行抛光，使得到的平面光学元件的表面的光洁度高，粗糙度小，使表面粗糙度的指标Ra小于等于0.8纳米、均方根值RMS小于等于λ/10，表面疵病质量满足国标Ⅳ级要求。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，在测量所述第一等厚干涉条纹平均间距时，平面干涉仪的测量波长为632.8纳米，但是本申请对此并不做具体限定，在本申请的其他实施例中，平面干涉仪的测量波长为1053纳米。

优选地，在本申请的一个实施例中，所述研磨待加工平面光学元件的第一表面包括：

采用分级研磨的方式，研磨待加工平面光学元件的第一表面，可以加快研磨效率。

可选的，利用碳化硼磨料研磨待加工平面光学元件的第一表面，碳化硼的硬度超硬，与待加工平面光学元件的硬度有较好的加工偶尔性。

下面以待加工平面光学元件为外形尺寸为Ф200mm×10mm的待加工蓝宝石窗口元件为例，待加工蓝宝石窗口元件的初始状态为毛坯料，对本申请中的加工方法进行进一步阐述。

步骤一，采用规格为W28、W14、W7的碳化硼磨料对待加工蓝宝石窗口元件的上表面进行分级研磨，W28、W14、W7每种磨料的去除量分别不小于0.05mm、0.03mm及0.02mm，利用规格为W28和W14的碳化硼磨料研磨过程根据面形刀口尺的测试数据对研磨加工参数进行优化，在最后利用规格为W7碳化硼磨料研磨阶段，利用三坐标测量机对待加工蓝宝石窗口的上表面进行单面反射精磨面形测量，根据测量结果进行精磨反射面形误差修正，直至上表面的反射面形误差数据小于5μm；

步骤二，利用特种抛光垫抛光技术，利用高精度单轴平面机床对待加工蓝宝石元件的上表面抛光，快速进行表面砂眼的抛亮和反射面形误差的修正，检测过程利用600mm口径平面干涉仪、波长λ为632.8纳米，检测抛光后的上表面的反射面形误差数据H(x,y)，直至反射面形误差数据H(x,y)小于2λ；

步骤三，利用单轴研磨抛光机床研磨待加工蓝宝石元件的下表面，进行平行度指标的初步修正，加工过程利用平面光学元件等厚测量装置进行研磨过程的等厚指标测量，以上表面为标准面，取边缘八个厚度测量值进行等厚测量，针对待加工蓝宝石元件平行度小于3"的技术指标要求，加工过程根据等厚分布进行配重参数优化设计，不断逼近厚度误差阈值，直至将等厚误差值加工至小于0.006mm；

步骤四，利用特种抛光垫抛光技术，利用单轴精密抛光机抛光待加工蓝宝石元件的上表面和下表面，然后采用600mm口径平面干涉仪检测抛光后的双面平行差，根据等厚条纹的形状分布进行平行度分析，调整抛光过程中的配重参数及其他加工关键参数进行表面平行度的抛光修正，直至等厚干涉条纹数量为16根，条纹间距不小于12mm；

步骤五，采用低缺陷超硬蓝宝石材料抛光工艺，利用三轴数控研磨抛光机加工待加工蓝宝石元件的上表面进行透射波前的精密控制，采用600mm口径平面干涉仪检测抛光后的透射波前误差H_t(x,y)及表面平行差，根据透射波前和表面平行差的条纹分布情况，选择适当的子口径抛光加工去除函数R(x,y)进行透射波前的抛光修正，单次驻留时间为T(x,y)，加工路径采用光栅式加工路径，加工过程不破坏平行度指标，经过八次数控抛光，完成对待加工蓝宝石元件的加工，得到蓝宝石元件。蓝宝石元件的平行度为2.4"，通光口径190mm内等厚干涉条纹数量为13根，透射波前PV＝0.35λ(λ＝632.8nm)。

本申请还提供一种平面光学元件，所述平面光学元件为如上述公开任一实施例中平面光学元件加工方法得到的平面光学元件。

本实施例中的平面光学元件是通过对待加工平面光学元件的第一表面进行研磨直至第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，再对第一表面进行抛光直至反射波前值小于第二面形误差阈值，对平面光学元件的第二表面进行研磨，使得平面光学元件的第一表面和第二表面等厚误差值小于厚度误差阈值，进一步对第一表面和第二表面进行抛光，使平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，使得平面光学元件平行度的精度得到提高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的平面光学元件及其加工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种平面光学元件加工方法，其特征在于，包括：

研磨待加工平面光学元件的第一表面，使研磨后第一表面的反射面形误差数据小于第一面形误差阈值，得到第一平面光学元件；

抛光所述研磨后第一表面，使抛光后第一表面的反射面形误差数据小于第二面形误差阈值，得到第二平面光学元件；

研磨所述第二平面光学元件的第二表面，使研磨后第二平面光学元件的等厚误差值小于厚度误差阈值，得到第三平面光学元件，其中，所述第二表面与所述第一表面相对；

抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面，使抛光后第三平面光学元件的第一等厚干涉条纹平均间距大于间距阈值，得到平面光学元件；

在得到平面光学元件之后，还包括：

抛光所述平面光学元件的第一表面或第二表面，并测量经过抛光的平面光学元件的透射波前误差和第二等厚干涉条纹平均间距；

判断所述透射波前误差是否小于等于透射波前阈值且所述第二等厚干涉条纹平均间距是否大于所述间距阈值；

若否，根据预设加工路径，利用子口径抛光加工去除函数进行抛光修正，直至所述透射波前误差小于等于透射波前阈值且所述第二等厚干涉条纹平均间距大于所述间距阈值，得到再加工平面光学元件；

所述抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面包括：

采用特种抛光垫抛光技术，抛光所述第三平面光学元件的第一表面和第二表面。

2.如权利要求1所述的平面光学元件加工方法，其特征在于，所述预设加工路径为光栅式加工路径、螺旋线加工路径、随机加工路径中的任一种加工路径。

3.如权利要求1至2任一项所述的平面光学元件加工方法，其特征在于，所述抛光所述研磨后第一表面包括：

采用特种抛光垫抛光技术，抛光所述研磨后第一表面。

4.如权利要求3所述的平面光学元件加工方法，其特征在于，在测量所述第一等厚干涉条纹平均间距时，平面干涉仪的测量波长为632.8纳米。

5.如权利要求4所述的平面光学元件加工方法，其特征在于，所述研磨待加工平面光学元件的第一表面包括：

采用分级研磨的方式，研磨待加工平面光学元件的第一表面。

6.如权利要求5所述的平面光学元件加工方法，其特征在于，所述研磨待加工平面光学元件的第一表面包括：

利用碳化硼磨料研磨待加工平面光学元件的第一表面。

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