大口徑高精度方形平面光學(xué)元件研制技術(shù)

1.前言

　　為了滿足大型光學(xué)系統(tǒng)對(duì)大口徑高精度平面光學(xué)元部件的需要，環(huán)行拋光技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到實(shí)際光學(xué)元部件的生產(chǎn)中。采用環(huán)行拋光技術(shù)（本文中主要涉及大玻璃校正盤修磨的單環(huán)行拋光機(jī)）加工的光學(xué)元部件可以獲得較高的面形精度。對(duì)于圓形光學(xué)元部件來(lái)說(shuō)，使用環(huán)行拋光技術(shù)可以得到λ/8（P-V），有多年光學(xué)加工經(jīng)驗(yàn)的加工者可以加工到λ/20~λ/40。環(huán)形拋光技術(shù)在加工大口徑高精度平面光學(xué)元部件中，同傳統(tǒng)的加工方法相比，可以獲得更好的面形精度或波前精度，在加工異形光學(xué)元部件中更有優(yōu)勢(shì)。

　　2.大玻璃校正盤修磨的單環(huán)行拋光機(jī)環(huán)行拋光原理

　　在原理上，環(huán)行拋光運(yùn)轉(zhuǎn)特性與傳統(tǒng)盤相同。任何兩個(gè)工件表面如能在任一部分任一方向上向彼此都能均勻接觸，其表面形狀必定是球面，其曲率可以是正、負(fù)或零。當(dāng)校正盤沿著徑向向外移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大，使瀝青膠盤變凸；當(dāng)校正盤沿著徑向向內(nèi)移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩減小，使瀝青膠盤變凹。

　　假設(shè)一個(gè)工件以角速度ω旋轉(zhuǎn)，以Ω旋轉(zhuǎn)的磨盤中心到工件旋轉(zhuǎn)中心距離為R，距工件旋轉(zhuǎn)中心距離為r，并相對(duì)磨盤中心和工件中心連線的角度為θ。磨盤的相對(duì)速度為V(r,θ)=.[R2Ω2+(Ω-ω)2+2rR(Ω-ω)cosθ]1/2.(1).當(dāng)Ω等于ω時(shí)，磨盤與工件之間的速度關(guān)系在任意位置都是一個(gè)常數(shù)。由于在環(huán)拋加工時(shí)加工件及校正盤處于自由狀態(tài)壓力均勻，從而使整個(gè)表面均勻磨削；當(dāng)Ω不等于ω.時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)徑向的磨損變化，使表面的磨削不均勻。

　　整個(gè)表面磨削量dh/dt.可由Preston.方程表示為：dh/dt=kPv=kP(ds/dt)。

　　式中，k為比例常數(shù)，它與被拋光材料、拋光膜層材料、拋光粉種類、拋光液濃度、PH值及拋光溫度等參數(shù)有關(guān)；P為局部壓力；V為相對(duì)速度，等于在dt.時(shí)間內(nèi)的行程ds的比值。

　　3.工藝實(shí)驗(yàn)

　　3.1.環(huán)拋設(shè)備簡(jiǎn)介

　　成都精密光學(xué)工程研究中心目前配備了三臺(tái)一米，三臺(tái)二米和一臺(tái)二點(diǎn)五米的環(huán)形平面拋光機(jī)，其中一米的設(shè)備主要加工Ф330毫米以內(nèi)的平面光學(xué)元部件，二米的設(shè)備主要加工Ф600毫米以內(nèi)的平面光學(xué)元部件，二點(diǎn)五米環(huán)拋設(shè)備主要用于Ф800毫米以內(nèi)的平面光學(xué)元部件。并且一米、二米的環(huán)拋設(shè)備均按照3臺(tái)一個(gè)機(jī)組配置，這樣的機(jī)組培植比單臺(tái)培植更有利于光學(xué)元部件面形的控制，使面形修正精度達(dá)到了用戶的要求，提高了工作效率，縮短了加工周期。

　　一米環(huán)拋設(shè)備和二米環(huán)拋設(shè)備主要由變頻器控制的調(diào)速電機(jī)、蝸輪蝸桿減速箱、基座、安放在平面軸承上的托盤、大理石及上面的拋光膜、校正盤、夾持用輔助工裝及可以檢查的正盤面形的帶翻轉(zhuǎn)裝置的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為0.3~3r/min。；該設(shè)備調(diào)整校正盤比較方便，視野開(kāi)闊，上下被加工元件也比較方便，夾持器調(diào)整范圍比較大，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以方便校正盤面形的檢測(cè)及在設(shè)備休整或停機(jī)時(shí)存放校正盤。由于校正盤夾持器較長(zhǎng)，夾持器在工作中尤其是校正盤與拋光膠盤面形不吻合的時(shí)候容易出現(xiàn)顫抖，影響膠盤的修正及被加工件的加工。

　　2.5m環(huán)拋設(shè)備主要由調(diào)速電機(jī)、齒輪減速箱、基座、安放在大齒圈上的托盤、大理石及拋光膜、校正盤及夾持校正盤和工件的橫梁支撐結(jié)構(gòu)及其他輔助工裝組成。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為0~4r/min。該設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)將主機(jī)部分與橫梁支撐結(jié)構(gòu)分離，減少了主機(jī)與衡量結(jié)構(gòu)相互間的互相影響，同時(shí)采用橫梁支撐結(jié)構(gòu)增大了校正盤的剛性。但校正盤和工件的調(diào)整比較煩瑣，在調(diào)整過(guò)程中臟東西容易掉在拋光膠盤上，使被加工件出現(xiàn)道子。在光學(xué)加工中尤其是精拋光時(shí)最忌諱被加工件出現(xiàn)道子，這將直接影響到加工質(zhì)量、效率及加工單位的信譽(yù)。

　　3.2.工藝實(shí)驗(yàn)

　?。?）方形元件的精細(xì)研磨。將方形元件用膠條或?qū)Ｓ霉ぱb上盤進(jìn)行精細(xì)研磨。一般大口徑光學(xué)元部件的精細(xì)研磨最后一道砂用W14金剛砂研磨，研磨時(shí)必須將兩面磨透，并將等厚控制在0.01以內(nèi)，面形微凹一些，有利于基板的拋光修面形精度。觀察表面砂眼粗細(xì)均勻，沒(méi)有新的道子及外傷。

　?。?）方形元件的初拋光?？蓪⒎叫卧命c(diǎn)膠上盤進(jìn)行初拋光。剛開(kāi)始時(shí)應(yīng)該勤加拋光粉，拋光粉的濃度要大一些，以降低光學(xué)表面粗糙度和提高拋光效率，并在將光學(xué)元部件基板拋亮的過(guò)程中逐步修正面形精度，最終將面形控制在1.5λ左右，表面疵病控制在Ⅲ級(jí)。

　　（3）方形元件的環(huán)行精拋光。大口徑方形元件的精拋光采用環(huán)形拋光技術(shù)加工。在環(huán)形拋光過(guò)程中，首先需要膠盤的面形要良好，在上拋光工件之前就應(yīng)該將拋光膠盤修正到一定的精度，并且希望在加工過(guò)程中膠盤一直保持這種良好狀態(tài)，直到光學(xué)元部件達(dá)到所要求的精度為止。在實(shí)際加工的整個(gè)過(guò)程中，保持一致?tīng)顟B(tài)是不太現(xiàn)實(shí)的，需要根據(jù)膠盤面形及工件面形的實(shí)際情況而定。通過(guò)調(diào)整校正盤的位置狀態(tài)，讓膠盤盡可能保持所需要的面形，以便高效地加工相應(yīng)的工件。

　　在實(shí)際的環(huán)行拋光加工過(guò)程中，總是將3臺(tái)一組的環(huán)拋機(jī)群中的一臺(tái)膠盤面形保持微凹，一臺(tái)膠盤面形保持微凸，一臺(tái)用作最后的面形修正。這樣可以針對(duì)不同初拋光的不同加工件的不同面形狀況選擇相應(yīng)的環(huán)行拋光機(jī)，節(jié)約修正膠盤面形的時(shí)間，提高工件的加工效率。

　　在加工工件的過(guò)程中，最重要的盡可能保證膠盤面形良好。在精拋光過(guò)程中，調(diào)整校正盤的位置時(shí)，調(diào)整幅度盡可能小一些，有利于膠盤與校正盤的面形相互磨合。當(dāng)校正盤的調(diào)節(jié)量較大時(shí)容易出現(xiàn)校正盤顫動(dòng)現(xiàn)象，影響膠盤的修正，同時(shí)校正的面形難以保證，容易出現(xiàn)帶差，導(dǎo)致修整膠盤的時(shí)間比較多，真正加工工件的時(shí)間少，降低了加工效率。

　　在加工大口徑方形元件的過(guò)程中容易出現(xiàn)四個(gè)角踏或翹的現(xiàn)象。為了克服加工過(guò)程中的邊緣效應(yīng)，在實(shí)際加工過(guò)程中通過(guò)對(duì)專用工裝進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)在加工過(guò)程中有意識(shí)地控制被加工件的工作位置狀態(tài)，可以大大緩減大口徑方形元件加工塌邊或翹邊問(wèn)題。

　　被加工的方形元件在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)對(duì)角塌角現(xiàn)象，筆者認(rèn)為是被加工件面形與膠盤面形不吻合或?qū)Ｓ霉ぱb設(shè)計(jì)上存在的一些不足引起的，通過(guò)改進(jìn)專用工裝，比較好地解決了這一問(wèn)題。

　　環(huán)拋大口徑高精度光學(xué)元部件時(shí)，加工精度達(dá)到0.8λ(P-V,λ=0.6328um)左右是容易的，收斂速度也比較快。當(dāng)精度越往上加工難度就越大，甚至出現(xiàn)加工精度反復(fù)。當(dāng)加工精度達(dá)到λ/2(P-V,λ=0.6328um)左右時(shí)，工件單次加工時(shí)間就越來(lái)越短，檢測(cè)的頻率就更快，以便保證被加工件的收斂趨勢(shì)及精度。

　　用環(huán)行拋光技術(shù)加工，需在投射波前要求的高精度光學(xué)元部件透射兩面的面形精度及材料參數(shù)所引起的波前誤差，因此在加工透射波前所要求的光學(xué)部件時(shí)，在實(shí)際加工中常將方形元件的單面面形精度控制在λ/3左右。然后進(jìn)行第二面精度的修正，在第二面精度達(dá)到負(fù)λ/3左右時(shí)進(jìn)行透射波前檢驗(yàn)，并進(jìn)行小量的修正，知道加工精度單次透射波前達(dá)到λ/6(P-V,λ=0.6328um)。加工反射波前所要求的光學(xué)元部件相對(duì)難度就要難度大一些，加工過(guò)程中主要解決塌角或翹角（主要是塌角）現(xiàn)象，只要將塌角或翹角控制在一定范圍及精度內(nèi)，則整個(gè)表面的反射波前達(dá)到λ/4(P-V,λ=0.6328um)是可能的。所加工的320×320×48mm和320×320×35mmUBK7材料的光學(xué)樣件經(jīng)24''相移干涉儀檢測(cè)。

　　4.結(jié)論

　　雖然筆者在大型環(huán)拋機(jī)加工方面有了一定的加工經(jīng)驗(yàn)，但還存在許多不足的地方。2m、2.5m環(huán)拋機(jī)加工工藝還不成熟，還有很多細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步的研究。1m環(huán)拋技術(shù)與2m環(huán)拋技術(shù)雖然在拋光原理上是一樣的，但直接將1m環(huán)拋上的加工經(jīng)驗(yàn)移植到2m環(huán)拋機(jī)上進(jìn)行加工又不太適宜，而且2m環(huán)拋機(jī)對(duì)環(huán)境的要求比1m環(huán)拋機(jī)對(duì)環(huán)境的要求要嚴(yán)格得多。

　　加工設(shè)備性能不穩(wěn)定。由于2m及2.5m環(huán)拋機(jī)在國(guó)內(nèi)都屬于新研制的大型光學(xué)加工設(shè)備，設(shè)備制造廠商缺少實(shí)際加工大口徑光學(xué)元部件設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，有一些地方需要作進(jìn)一步的改進(jìn)。

　　環(huán)拋加工受環(huán)境影響較大，對(duì)環(huán)境溫度及其波動(dòng)大小、濕度、環(huán)境清潔都有較高的要求。下一步準(zhǔn)備進(jìn)一步凈化環(huán)拋加工環(huán)境，提高環(huán)拋設(shè)備加工的環(huán)境條件。