CN117884986A - 一种多面共体光学元件的等离子体抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多面共体光学元件的等离子体抛光装置及抛光方法，其包括安装工位，安装工位用于安装多面体元件，设置在安装工位一侧对多面体元件的光学表面进行抛光的离子抛光机构；调节机构，可带动安装工位和离子抛光机构相对活动，以调整离子抛光机构与待加工光学表面的位置和角度；调节机构的设置，控制器可以控制离子抛光机构与安装工位相对活动，使离子抛光机构与相应光学表面调节到适合抛光的位置和角度，在一个光学表面加工完成后，调节机构可以通过角度调节使离子抛光机构在多个光学表面之间来回切换加工表面，不需要操作人员手动切换需要抛光的加工表面，从而提高加工效率。

Description

一种多面共体光学元件的等离子体抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明涉及光学元件加工技术领域，特别涉及一种多面共体光学元件的等离子体抛光装置及抛光方法。

背景技术

多面共体光学元件是指由多个面共同构成的光学元件，如棱镜、光学透镜组、棱柱等。由于其结构特殊，加工难度较大，主要表现在以下几个方面：

加工精度要求高：多面共体光学元件的加工精度要求非常高，特别是面间的平面度、角度和位置精度，对加工设备和工艺的要求也非常高。

加工难度大：多面共体光学元件的结构复杂，采用传统接触式的加工方法无法同时加工，一般需要对每一个面分别加工，一个面加工完成后再加工另一个面。这一过程十分复杂，接触式的加工手段在加工过程中存在边缘效应，影响光学镜面精度及有效通光口径，并且需要针对每一个面的几何量位置制作加工工装对多面共体元件中的非当前加工面进行保护，防止镜面划痕等损伤，在上述过程中，常常由于工装、夹具和加工定位误差等问题引入新的制造误差。

离子束抛光是一种非接触式的光学加工手段，常被用于光学加工最终的精密抛光手段。其主要技术特点有非接触式的材料去除、适用于多种材料、加工过程无应力、无边缘效应、无复印效应、定位允差大、具有回转对称的高斯型去除函数。但是，现有离子束加工设备在加工多面共体元件时无法在单次加工过程中加工多个光学表面，一次加工只能加工单个光学表面；且对于相邻表面交界的接缝处常发生过加工或欠加工，影响多面共体元件的最终加工精度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的离子束加工设备在加工多面共体元件时无法在单次加工过程中加工多个光学表面，一次加工只能加工单个光学表面的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其包括：安装工位，安装工位用于安装多面体元件，设置在安装工位一侧对多面体元件的光学表面进行抛光的离子抛光机构；调节机构，可带动安装工位和离子抛光机构相对活动，以调整离子抛光机构与待加工光学表面的位置和角度。

进一步，还包括定位机构，所述定位机构和所述调节机构均与控制器电连接，所述定位机构检测相应所述光学表面的空间位置并向所述控制器传输，所述控制器根据所述光学表面空间位置控制所述调节机构运作，从而调整所述离子抛光机构与所述光学表面的位置和角度。

进一步，定位机构包括相机和标识单元，相机与控制器电连接，每个光学表面均对应的设置有标识单元，标识单元具有识别面，相机检测标识面以确定光学表面的位置。

进一步，其特征在于，标识单元为与光学表面对应设置的三个以上的靶标，三个以上靶标构成识别面。

进一步，还包括直线移动组件，直线移动组件可使安装工位与离子抛光机构在直线上产生相对位移。

进一步，直线移动组件可带动离子抛光机构在X、Y、Z方向上进行直线位移。

进一步，直线移动组件可带动安装工位在X、Y、Z方向上进行直线位移。

进一步，还包括旋转调节组件，旋转调节组件具有旋转轴线和调节端，调节端可绕旋转轴线转动，安装工位设置在调节端上，旋转调节组件可调节光学表面朝向离子抛光机构的角度。

进一步，还包括干涉仪，干涉仪与控制器电连接，用于检测光学表面的面形精度。

进一步，包括以下步骤：

S1、通过干涉仪对待加工多面共体元件的全部光学表面进行干涉检测，获得镜面误差；

S2、将测量得到的面形数据边缘进行拼接；

S3、将多面共体元件安装至安装工位上，调整多面共体元件位置，利用所述定位机构测量多面共体元件的位置；

S4、根据步骤2中的数据计算加工驻留时间，依次加工多面共体元件的各个表面；

S5、检测多面共体元件，若镜面误差满足要求则结束加工，若镜面误差不满足要求，则重复上述步骤，直到镜面误差满足精度要求为止。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：调节机构的设置，控制器可以控制离子抛光机构与安装工位相对活动，使离子抛光机构与相应光学表面调节到适合抛光的位置和角度，在一个光学表面加工完成后，调节机构可以通过角度调节使离子抛光机构在多个光学表面之间来回切换加工表面，不需要操作人员手动切换需要抛光的加工表面，从而提高加工效率。

附图说明

图1是本申请提供的等离子体抛光装置的立体图。

图2是本申请提供的等离子体抛光装置的部分结构示意图。

图3是本申请提供的多面体工件的面形数据图。

图4是本申请提供的多面体工件的相邻面拼接数据图。

附图标记说明如下：1、精密滑台；11、离子抛光机构；2、相机；21、靶标；3、安装臂；4、旋转臂。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

请参阅图1至图4，本申请提供了一种多面共体光学元件的等离子体抛光装置，包括安装臂3，安装臂3的一端设置有安装工位，安装工位用于安装多面体元件，多面体元件可以固定安装在安装臂3的一端，安装工位的一侧设置有离子抛光机构11，离子抛光机构11对多面体元件需要抛光的光学表面进行抛光，运行时，离子抛光机构11和安装工位(多面体元件)可相对活动，以调整离子抛光机构11与光学表面的位置和角度。

上述离子抛光机构11可以是现有的离子束抛光机，为了实现离子抛光机构11与安装工位相对活动，还包括调节机构，调节机构与控制器电连接，控制器控制调节机构运作，对离子抛光机构11与光学表面位置和角度进行调节，在每次进行抛光作业前，使离子抛光机构11与相应光学表面调节到适合抛光的位置和角度，不需要操作人员手动调节提高了加工效率，并且，在一个光学表面加工完成后，调节机构可以通过角度调节使离子抛光机构11在多个光学表面之间来回切换加工表面，不需要操作人员手动切换需要抛光的加工表面，从而在加工完一个表面后无需释放真空重现多面体元件，进而进一步提升加工效率。

为了使控制器能控制调节机构准确的将安装工位和离子抛光机构11调节到适合抛光的位置和角度，还包括定位机构，定位机构与控制器电连接，操作人员将多面体元件安装在安装臂3上后，定位机构对相应光学表面的空间位置进行检测，并将检测的数据向控制器传输，控制器得到相应光学表面的准确位置，随后控制器根据相应光学表面的准确位置控制调节机构运作，使调节机构将离子抛光机构11与光学表面调节到适合抛光的位置和角度。

具体来说，上述定位机构包括相机2和标识单元，相机2与控制器电连接，通过识别标识单元来确定光学表面的准确位置，相应的，作为多面体结构，每个需要抛光的光学表面均对应的设置有标识单元，以便相机2可以确定每个光学表面的位置。

还包括三坐标测量仪(图中未示出)，三坐标测量仪与控制器电连接，在进行抛光前，先利用三坐标测量仪检测多面体元件的光学表面与标识单元的相对位置关系(光学表面的位置与姿态)，控制器对此进行记录。

上述标识单元设置在待加工光学表面的边缘处，标识单元具有识别面，相机2测量标识面的空间位置并将标识面的空间位置传输至控制器，控制器根据标识面的空间位置来计算得出待加工光学表面的准确位置，控制器根据光学表面的准确位置控制离子抛光机构11与光学表面相对活动，确保抛光过程中该光学表面姿态与三坐标测量仪检测时的姿态一致，确保加工过程的几何量位置精度。

与单个光学表面对应的标识单元上文并没有对其数量进行说明，上述标识单元的数量可以是一个，一个标识单元具体为片状物体，片状物体上具有便于识别的图案，图案形成识别面，优选的是，上述标识单元的数量为三个以上，具体为，标识单元为与单个光学表面对应设置的三个以上的靶标21，如图2所示，靶标21设置在光学表面的外沿处，三个以上的标识单元构成识别面；与数量为一个的标识单元相比，数量为三个以上的靶标21不需要将识别面集成在一个物体上，也就是说，标识单元数量为一个时，该标识单元的面积会更大，不便离子抛光机构11对工件进行抛光作业，因此本申请的靶标21优选为三个以上，数量为三个以上时，单个靶标21的面积可以更小，从而减小靶标21在离子抛光机构11对工件进行抛光作业时的影响。

进一步，上述靶标21的中心处设置有十字叉丝，更加便于相机2识别检测，可以提高相机2的检测效率。

作为调节机构的一实施例，调节机构包括直线移动组件，直线移动组件可使安装工位与离子抛光机构11在直线上产生相对位移，以调整离子抛光机构11与待加工光学表面的位置。

进一步，直线移动机构可带动离子抛光机构11在X、Y、Z方向上进行直线位移，调节离子抛光机构11与待加工光学表面的位置，使离子抛光机构11移动至适合对光学表面进行抛光的位置，方便抛光作业的进行，并且在抛光的过程中还能对离子抛光机构11的位置进行调整，使离子抛光机构11对光学表面抛光的更加均匀。

具体来说，如图1所示，上述直线移动机构为精密滑台1，离子抛光机构11设置在该精密滑台1上，精密滑台1与控制器电连接，精密滑台1可以在控制器的控制下带动离子抛光机构11在X、Y、Z方向上进行直线位移。

上述精密滑台1可以是现有的可带动物体在X、Y、Z方向上进行直线位移的精密滑台，因此其结构和原理在此不做赘述。

上述直线移动机构也不局限于与离子抛光机构11连接，还可以与安装臂3连接(图中未示出)，直线移动机构通过安装臂3带动安装工位在X、Y、Z方向上进行直线位移，直线移动机构与安装臂3连接也可以使光学表面移动至适合被抛光的位置，也能达到方便抛光作业的进行和使离子抛光机构11抛光的更加均匀的效果。

上述设置有安装工位的部件也并不局限于安装臂，设置有安装工位的部件也可以是安装台等部件，本发明的安装臂为优选的实施方式，安装臂具有体积小，便于活动的特点，方便与下文详细描述的旋转调节组件组合。

进一步，还包括旋转调节组件，旋转调节组件设置在安装臂3上，安装工位设置在旋转调节组件上，控制器通过旋转调节组件调节光学表面朝向离子抛光机构11的角度。

上述旋转调节组件与控制器电连接，旋转调节组件具有旋转轴线和调节端，安装工位设置在调节端上，调节端可绕旋转轴线转动，从而安装工位和安装在安装工位上的多面体元件可绕旋转轴线转动。

具体来说，旋转调节组件为铰接在安装臂3上的旋转臂4，控制器可以控制旋转臂4绕铰接处作驱动性旋转，安装工位设置在旋转臂4远离铰接处的一端，控制器控制旋转臂4转动，旋转臂4带动安装工位和安装工位上的多面体元件转动，以使控制器达到调节多面体元件的光学表面角度的目的；如图所示，在一个光学表面加工完成后，控制器还可以控制旋转臂4转动，旋转臂4带动多面体元件转动使相邻的待加工的光学表面朝向离子抛光机构11，并且在定位机构的检测下，控制器控制待加工表面转动至适合抛光的角度。

安装臂3上还设置有步进电机(图中未示出)，步进电机与控制器电连接并与旋转臂4驱动连接，控制器通过步进电机控制旋转臂4转动。

进一步，还包括干涉仪，干涉仪与上述控制器电连接，干涉仪用用于检测光学表面的面型精度，干涉仪将光学表面的面型精度的数据传输至控制器，控制器根据面型精度数据计算离子抛光机构11加工驻留的时间。

进一步，还包括设置在精密滑台1上的旋转组件(图中未示出)，旋转组件与控制器电连接，离子抛光机构11设置在旋转组件上，旋转组件可带动离子抛光机构11旋转以调节离子抛光机构11朝向光学表面的角度，需要说明的是，离子抛光机构11的旋转平面与上述多面体元件的旋转平面相互垂直，旋转平面为离子抛光机构11和多面体元件旋转时分别构成的平面，旋转组件的设置，使控制器可以在多个方向上调节离子抛光机构11朝向光学表面的角度，从而使角度调节更加灵活。

旋转组件具有旋转轴线且其旋转轴线垂直于离子抛光机构11的轴线，旋转组件转动时带动离子抛光机构11绕旋转组件的旋转轴线转动。

本发明还提供一种多面共体光学元件的等离子抛光方法，所述多面共体光学元件的等离子抛光方法基于上述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，包括以下步骤：

S1、通过干涉仪对待加工多面共体元件的全部光学表面进行干涉检测，获得镜面误差；

S2、将测量得到的面形数据边缘进行拼接，获得如图4所示面形数据；

光学元件面形数据的检测是行业通识，利用干涉仪和补偿器进行光学元件面形检测，获得面形误差数据。

面形数据边缘拼接，指将多面共体元件不同面的面形数据在交界处的数据进行排列扩展。将不同表面检测得到的面形误差矩阵进行组合，得到镜面边缘处的镜面误差数据。

S3、将多面共体元件安装至工件加工旋转臂4上，调整多面共体元件位置，利用工业相机2组成的空间位置坐标测量装置，测量多面共体元件的位置；

S4、根据步骤2中的数据计算加工驻留时间，依次加工多面共体元件的各个表面；

计算加工驻留时间是光学加工行业的通识，利用驻留时间解算软件，根据面形误差分布和去除函数信息，进行反卷积计算，得到加工驻留时间分布，与本专利保护内容无必要关系。

S5、检测多面共体元件，若镜面误差满足要求则结束加工，若镜面误差不满足要求，则重复上述步骤，直到镜面误差满足精度要求为止。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，包括安装工位，所述安装工位用于安装多面体元件，设置在安装工位一侧对多面体元件的光学表面进行抛光的离子抛光机构；调节机构，可带动所述安装工位和所述离子抛光机构相对活动，以调整所述离子抛光机构与所述待加工光学表面的位置和角度。

2.根据权利要求1所述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，还包括定位机构，所述定位机构和所述调节机构均与控制器电连接，所述定位机构检测相应所述光学表面的空间位置并向所述控制器传输，所述控制器根据所述光学表面空间位置控制所述调节机构运作，从而调整所述离子抛光机构与所述光学表面的位置和角度。

3.根据权利要求2所述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，所述定位机构包括相机和标识单元，所述相机与所述控制器电连接，每个所述光学表面均对应的设置有所述标识单元，所述标识单元具有识别面，所述相机检测所述标识面以确定所述光学表面的位置。

4.根据权利要求3所述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，所述标识单元为与所述光学表面对应设置的三个以上的靶标，所述三个以上靶标构成识别面。

5.根据权利要求3所述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，还包括直线移动组件，所述直线移动组件可使所述安装工位与所述离子抛光机构在直线上产生相对位移。

6.根据权利要求5所述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，所述直线移动组件可带动所述离子抛光机构在X、Y、Z方向上进行直线位移。

7.根据权利要求5所述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，所述直线移动组件可带动所述安装工位在X、Y、Z方向上进行直线位移。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，还包括旋转调节组件，所述旋转调节组件具有旋转轴线和调节端，所述调节端可绕所述旋转轴线转动，所述安装工位设置在所述调节端上，所述旋转调节组件可调节所述光学表面朝向所述离子抛光机构的角度。

9.根据权利要求3所述的多面共体光学元件的等离子体抛光装置，其特征在于，还包括干涉仪，所述干涉仪与所述控制器电连接，用于检测所述光学表面的面形精度。

10.一种基于权利要求1-9任意一项所述的等离子体抛光装置的等离子抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、所述干涉仪对所述待加工多面共体元件的全部光学表面进行干涉检测，获得镜面误差；

S2、将测量得到的面形数据边缘进行拼接，获得如图4所示面型数据；

S3、将所述多面共体元件安装至所述安装工位上，调整所述多面共体元件位置，利用所述定位机构测量多面共体元件的位置；

S4、根据步骤2中的数据计算加工驻留时间，依次加工所述多面共体元件的各个表面；

S5、检测多面共体元件，若所述镜面误差满足要求则结束加工，若所述镜面误差不满足要求，则重复上述步骤，直到所述镜面误差满足精度要求为止。