CN116394113A - 一种光学透镜的剪切增稠抛光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学透镜的剪切增稠抛光装置及方法，所述装置包括旋转电机、供液泵、抛光液槽、旋转平台、微调平台、透镜夹具、结构化抛光工具、变角度转台和三轴联动平台；所述三轴联动平台用于实现结构化抛光工具在X、Y和Z三个方向位置的调整。本发明的结构化抛光工具能够有效带动剪切增稠抛光液流动，并实现光学透镜低损伤甚至无损伤抛光，可实现纳米甚至亚纳米粗糙度。本发明基于剪切增稠抛光特性，先使用全口径弧面抛光头去除表面材料提高效率，后使用子口径球形抛光头提高表面质量，能够通过调整抛光间隙来保证材料去除均匀性，保证了面形精度。
Description
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，特别涉及一种光学透镜的剪切增稠抛光装置及方法。
背景技术
光学透镜是光学镜头的最主要元件，光学镜头主要应用于数码相机、投影设备、天文、国防、航天、工业等传统领域。光学镜头同样是光刻机行业产业链最核心的元件。光学透镜包括由熔石英、氟化钙、氟化镁、硅、锗、硒化锌等材料制成的各种波段的平凸透镜、双凸透镜、平凹透镜、双凹透镜。
对于尺寸小、集成度高的微阵列透镜，面形、尺寸和表面质量决定了其最终应用性能，通常要求其表面质量达到纳米级，面形精度达微米级。对于特殊性能要求的元件甚至要求达到纳米级粗糙度和亚微米面形精度且无表面划痕、麻点破边等缺陷。目前光学透镜普遍使用准球心抛光、CNC数控小工具抛光、磁流变抛光技术等，但是这些加工工艺存在着不足，例如准球心抛光和CNC数控小工具抛光属于接触式抛光，表面容易出现疵病、损伤等。而磁流变抛光加工效率低且成本高，同时核心技术长期被国外垄断。剪切增稠抛光属于非接触式抛光，适用于复杂曲面、加工效率高，不仅对于现有的透镜加工工艺是一个很好的补充。
中国专利CN201280058226.6公开了一种光学透镜的抛光设备，该设备基于准球心抛光原理，通过特定定位装置和轴线旋转装置以使得透镜可以在相应球面移动，实现透镜球面均匀抛光。但抛光方式属于接触式抛光，抛光后表面易出现划痕和麻点等缺陷。
中国专利CN202011043550.3公开了一种基于剪切增稠抛光的修形装置及方法，该装置在使用中，需要配置多种抛光液，抛光效率低，操作复杂，抛光时间求解过程复杂。
中国专利202010492399.5公开了一种适用于剪切增稠抛光的抛光头及抛光方法。该发明可以实现剪切增稠的定点局部加工并且实现压力可控。但是装置搭建困难，面形控制能力差，批量加工难以实现。
中国专利CN202011504672.8公开了一种CCOS剪切增稠抛光方法。该方法具有对低、中、高精度的工件表面修形能力。但是该方法不适用透镜曲面加工，并且抛光工具实现轨迹移动困难。
综上所述，目前的光学透镜抛光方法中，使用接触式抛光方法抛光球面、柱面等简单的曲面时，表面易出现划痕、麻点等问题，且透镜面形不易控制。使用非接触式抛光方法抛光光学透镜时，存在加工效率低、不易流水线生产等问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种高效率、高精度、无损伤的光学透镜的剪切增稠抛光装置及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种光学透镜的剪切增稠抛光装置，包括旋转电机、供液泵、抛光液槽、旋转平台、微调平台、透镜夹具、结构化抛光工具、变角度转台和三轴联动平台；
所述结构化抛光工具通过联轴器固定在旋转电机上；
所述旋转电机安装在变角度转台上；
所述变角度转台与三轴联动平台连接，所述三轴联动平台用于实现结构化抛光工具在X、Y和Z三个方向位置的调整；
所述抛光液槽通过微调平台固定安装在旋转平台上；
所述抛光液槽底部安装透镜夹具，所述透镜夹具上安装透镜。
进一步的，所述结构化抛光工具为子口径球形抛光头或全口径弧面抛光头。
进一步地，所述全口径弧面抛光头的旋转轴设置为竖直方式或水平方式。
进一步地，所述透镜和结构化抛光工具完全浸没在抛光液中。
进一步地，所述结构化抛光工具表面设置凹槽，凹槽形状包括长条形槽、同心圆环状凹槽和圆形斑点凹槽；所述凹槽内粘贴厚度为0.7-0.8mm阻尼抛光垫。
一种光学透镜的剪切增稠抛光方法，利用光学透镜的剪切增稠抛光装置进行抛光，包括以下步骤：
第一步：使用填充胶将透镜固定在透镜夹具上，后将透镜夹具通过螺栓连接到抛光液槽上，之后使用微调平台对透镜进行对中及调平，使跳动误差在±10μm内。
第二步：安装全口径弧面抛光头，使用变角度转台调整旋转电机倾斜角度为15°-45°。调整透镜与全口径弧面抛光头间隙为0.1-0.3mm，开启供液泵并设定剪切增稠抛光液流量为50-150ml/min，调整旋转电机转速为1200-3000rpm；对透镜表面进行预抛光。
第三步：测量透镜面形误差，计算材料去除量对应驻留时间及进给速度，设定螺旋线或光栅运动轨迹。
第四步：安装子口径球形抛光头，使用变角度转台调整旋转电机倾斜角度为15°-45°。调整透镜与子口径弧面抛光头间隙为0.1-0.3mm，开启三轴联动平台，开启供液泵并设定剪切增稠抛光液流量为50-150ml/min，调整旋转电机转速为1200-3000rpm，按照扫描轨迹，对透镜表面进行精抛。
进一步的，所述剪切增稠抛光液，包括去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒或多羟基聚合物粒子，比例为25～35wt％；所述磨粒选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径0.5～10μm,比例15～25wt％，其余为去离子水。
与现有技术相比较，本发明的有益效果体现在：
1、本发明的结构化抛光工具能够有效带动剪切增稠抛光液流动，并实现光学透镜低损伤甚至无损伤抛光，可实现纳米甚至亚纳米粗糙度。
2、本发明基于剪切增稠抛光特性，先使用全口径弧面抛光头去除表面材料提高效率，后使用子口径球形抛光头提高表面质量，能够通过调整抛光间隙来保证材料去除均匀性，保证了面形精度。
附图说明
图1为光学透镜剪切增稠抛光装置示意图；
图2为子口径抛光过程示意图；
图3为图2的A处放大图。
图4为全口径凹面抛光示意图；
图5为全口径凸面抛光示意图；
图6为环带凹槽球形抛光头示意图；
图7为扇形凹槽球形抛光头示意图；
图8为圆点形球形抛光头示意图；
图9为全口径凹面抛光头示意图；
图10为全口径凸面抛光头示意图。
图中：1-旋转电机；2-供液泵；3-透镜；4-抛光液槽；5-旋转平台；6-微调平台；7-透镜夹具；8-结构化抛光工具；9-变角度转台；10-三轴联动平台。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
如图1-10所示，本发明的工作原理及具体过程如下：抛光时，旋转平台5带动透镜3进行旋转，先使用全口径弧面抛光头对透镜3表面材料快速去除并降低粗糙度至1-2nm，全口径弧面抛光头需要根据透镜3口径100-200mm及曲率半径尺寸选择面形吻合的抛光头。再使用球形抛光头对不同透镜3口径100-200mm及曲率半径尺寸设定螺旋线抛光轨迹进行扫描，进一步优化表面质量及面形精度。结构化抛光工具8表面抛光垫将带动剪切增稠抛光液形成一定剪切速率，使得透镜3表面与发生剪切增稠的抛光液体形成相对运动。设定抛光液流量为50-150ml/min，将抛光液均匀输送至透镜3表面，并保证产生的剪切速率可以使抛光液发生剪切增稠效应。调整电机转速1200-3000rpm。实现对光学透镜3高效率、高精度、无损伤抛光。此外，剪切增稠抛光液具有流动性，使形成的“柔弹性磨具”与各类工件面形都具有良好接触状态。可以有效去除透镜3表面微观凸峰，提高了抛光效率。最终在剪切增稠效应成的剪切力和动压力的作用下，在柔性接触状态下实现材料的高效去除。
本发明的实施例：口径100mm正弯月形透镜抛光。
如图1-10所示，本实施案例是对口径100mm正弯月形透镜进行抛光，本发明依附于三轴联动平台10，通过加装旋转电机1、供液泵2、抛光液槽4、旋转平台5、微调平台6、透镜夹具7、结构化抛光工具8和变角度转台9组成本发明的抛光装置。
所述结构化抛光工具8通过联轴器固定在旋转电机1上，在旋转电机1的带动下旋转，能够通过改变旋转速度，控制抛光液剪切速率的变化，达到不同的剪切增稠抛光效果。
所述旋转电机1安装至变角度转台9，可以调整抛光过程中结构化抛光工具8与工件间的接触点位置。从而带动旋转电机1和结构化抛光工具8倾斜任意角度，可以接触到透镜3表面任意位置。
所述变角度转台9与三轴联动平台10连接，在三轴联动平台10的带动下，能够实现结构化抛光工具8在X、Y、Z三个方向位置的调整，从而可以实现结构化抛光工具8和透镜3保持恒定的间隙。
所述抛光液槽4通过螺栓安装在旋转平台5上，在旋转平台5的带动下连续旋转，并能够改变旋转速度。透镜3通过填充胶固定于透镜夹具7上，后将透镜夹具7固定在抛光液槽4上，透镜3和抛光液槽4跟随着旋转平台5旋转，进而实现工件的连续均匀抛光。
进一步的，所述的结构化抛光工具8可以分为子口径球形抛光头和全口径弧面抛光头。其中子口径抛光头通过轨迹运动，扫描抛光透镜表面。全口径弧面抛光头可对透镜整个表面同时抛光，抛光过程中可控制间隙保证材料去除均匀，保证面形。以上结构化抛光工具8表面均开有用于粘贴抛光垫的凹槽，带动剪切增稠抛光液，通过抛光液与工件表面的相对运动，实现曲面材料有效去除。
进一步地，为了适应透镜3不同曲率半径表凸面和凹面面加工，全口径弧面抛光头可以设置为竖直和水平放置的方式。通过调节抛光头的尺寸及抛光头与工件之间的间隙，来保证材料去除的均匀性。为了实验更好的抛光效果，可以将透镜3和抛光头完全浸没与抛光液中，能够保证接触区域抛光液供给充分，会使抛光液更好的呈现固体特性，增强了对磨粒的把持力，同时增大动压效应，从而加大了磨粒对于工件的接触压力，实现光学透镜高效高精度抛光。
一种光学透镜的剪切增稠抛光方法，利用光学透镜的剪切增稠抛光装置进行抛光，包括以下步骤：
第一步：使用填充胶将透镜固定在透镜夹具7上，后将透镜夹具7通过螺栓连接到抛光液槽4上，之后使用微调平台6对透镜3进行对中及调平，跳动误差应小于±10μm。
第二步：安装全口径弧面抛光头，使用变角度转台9调整旋转电机1倾斜角度(15°-45°)。调整透镜3与全口径弧面抛光头间隙为0.1-0.3mm，开启供液泵2并设定剪切增稠抛光液流量为50-150ml/min，调整旋转电机1转速(1200-3000rpm)，完成透镜3表面预抛光。
第三步：测量面形误差，计算材料去除量对应驻留时间及进给速度，设定螺旋线或光栅运动轨迹。
第四步：安装子口径球形抛光头，使用变角度转台9调整旋转电机1倾斜角度(15°-45°)。调整透镜3与全口径弧面抛光头间隙为0.1-0.3mm，开启三轴联动平台10，开启供液泵2并设定剪切增稠抛光液流量为50-150ml/min，调整旋转电机1转速(1200-3000rpm)，按照扫描轨迹，精抛透镜表面。
进一步的，所述用于剪切增稠的抛光液，包括去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒、所述多羟基聚合物粒子，比例为25～35wt％；所述磨粒选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径0.5～10μm,比例15～25wt％，其余为去离子水。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种光学透镜的剪切增稠抛光装置，其特征在于：包括旋转电机(1)、供液泵(2)、抛光液槽(4)、旋转平台(5)、微调平台(6)、透镜夹具(7)、结构化抛光工具(8)、变角度转台(9)和三轴联动平台(10)；
所述结构化抛光工具(8)通过联轴器固定在旋转电机(1)上；
所述旋转电机(1)安装在变角度转台(9)上；
所述变角度转台(9)与三轴联动平台(10)连接，所述三轴联动平台(10)用于实现结构化抛光工具(8)在X、Y和Z三个方向位置的调整；
所述抛光液槽(4)通过微调平台(6)固定安装在旋转平台(5)上；
所述抛光液槽(4)底部安装透镜夹具(7)，所述透镜夹具(7)上安装透镜(3)。
2.根据权利要求1所述一种光学透镜的剪切增稠抛光装置，其特征在于：所述结构化抛光工具(8)为子口径球形抛光头或全口径弧面抛光头。
3.根据权利要求1所述一种光学透镜的剪切增稠抛光装置，其特征在于：所述全口径弧面抛光头的旋转轴设置为竖直方式或水平方式。
4.根据权利要求1所述一种光学透镜的剪切增稠抛光装置，其特征在于：所述透镜(3)和结构化抛光工具(8)完全浸没在抛光液中。
5.根据权利要求1所述一种光学透镜的剪切增稠抛光装置，其特征在于：所述结构化抛光工具(8)表面设置凹槽，凹槽形状包括长条形槽、同心圆环状凹槽和圆形斑点凹槽；所述凹槽内粘贴厚度为0.7-0.8mm阻尼抛光垫。
6.一种光学透镜的剪切增稠抛光方法，其特征在于：利用光学透镜的剪切增稠抛光装置进行抛光，包括以下步骤：
第一步：使用填充胶将透镜(3)固定在透镜夹具(7)上，后将透镜夹具(7)通过螺栓连接到抛光液槽(4)上，之后使用微调平台(6)对透镜(3)进行对中及调平，使跳动误差在±10μm内
第二步：安装全口径弧面抛光头，使用变角度转台(9)调整旋转电机(1)倾斜角度为15°-45°调整透镜(3)与全口径弧面抛光头间隙为0.1-0.3mm，开启供液泵(2)并设定剪切增稠抛光液流量为50-150ml/min，调整旋转电机(1)转速为1200-3000rpm；对透镜(3)表面进行预抛光
第三步：测量透镜(3)面形误差，计算材料去除量对应驻留时间及进给速度，设定螺旋线或光栅运动轨迹
第四步：安装子口径球形抛光头，使用变角度转台(9)调整旋转电机(1)倾斜角度为15°-45°调整透镜(3)与子口径弧面抛光头间隙为0.1-0.3mm，开启三轴联动平台(10)，开启供液泵(2)并设定剪切增稠抛光液流量为50-150ml/min，调整旋转电机(1)转速为1200-3000rpm，按照扫描轨迹，对透镜(3)表面进行精抛。
7.根据权利要求6所述一种光学透镜的剪切增稠抛光方法，其特征在于：所述剪切增稠抛光液，包括去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒或多羟基聚合物粒子，比例为25～35wt％；所述磨粒选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径0.5～10μm,比例15～25wt％，其余为去离子水。
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| CN117140203A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-12-01 | 季华实验室 | 轻量化光学镜片的磁流变抛光固定装置以及固定方法 |
| CN117140203B (zh) * | 2023-10-27 | 2024-02-13 | 季华实验室 | 轻量化光学镜片的磁流变抛光固定装置以及固定方法 |
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