[发明专利]消除表面缺陷的光学元件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件例如透镜、玻片或棱镜的制造。更具体地，本发明涉及具有优良品质光学表面的光学元件的制造方法，包含光学元件的至少一个表面缺陷的消除。本发明还涉及一种玻璃光学元件的表面处理方法，用以消除作为最终光学元件应用时尺寸不可接受的表面缺陷，不论该光学表面的形状如何。

背景技术

玻璃光学元件的制造通常包括粗加工步骤、平整研磨步骤、随后的一个或多个抛光步骤以及可能的一个精加工步骤。粗加工包括将玻璃材料成形为光学元件所需的尺寸，以及机加工光学表面至所需形状：平面、凹面、凸面、球面或非球面。平整研磨或平整的目的是在抛光步骤之前减小玻璃的光学表面的粗糙度。所述抛光步骤进一步减小光学元件的粗糙度，从而使其透明并获得几乎最终的平滑度质量。可以执行所述精加工步骤以改善一种或几种光学特性，例如其粗糙度、其平滑度或其流动阻力。所述精加工步骤是后抛光工艺，它可以通过多种方式来实现：机器人局部抛光、离子束局部抛光、磁流变(MRF)抛光、超抛光、化学刻蚀......该制造步骤的顺序使得光学元件的粗糙度依步骤规律地减小，材料移除速度越来越低。平整后平均表面粗糙度低于200纳米，抛光后低于2纳米。在各步骤中材料的移除逐步减少：在粗加工中，每个面上移除的材料的厚度大于500微米(μm)；在平整中，该厚度在50和500μm之间；在抛光中，在10和100μm之间，最后，在精加工步骤中每面移除的材料的厚度低于10μm。在平整和/或抛光步骤中，可能会出现表面缺陷例如刻痕、划伤、凹坑或剥落。如果在平整中材料没有被足够的移除，这些表面缺陷也可能来自于抛光的上游制造步骤。但是，即使对于正确控制的制造工艺，也可能出现光学部件和抛光工具之间的存在不期望的颗粒的情况。这种颗粒可能是抛光产物的团块、抛光工具碎屑或者环境中的灰尘。表面缺陷的尺寸则取决于这些颗粒的尺寸和性质，如文献所描述的(“Effect of rogue particles on the sub-surface damage of fused silica during grinding/polishing”，T.Suratwala，Journal of Non-Crystalline Solids 354(2008)p.2023-2037)。

对于质量良好的光学元件，所考虑的表面缺陷尺寸为沿宽度几微米至几十微米和沿长度数毫米以内的量级。所要考虑的缺陷深度小于20微米。根据制造的质量和光学元件的尺寸，缺陷密度从每cm²零点零几个缺陷至每cm²几十个缺陷。

无论光学元件的用途如何，表面缺陷衍射或散射光线，并且还可能影响光学元件的耐用性。其一个面具有表面缺陷的光学元件或者光学装置则会损失其对于光束传输的部分品质。对于功率激光束的应用，表面缺陷的数量和尺寸必须被限制，因为这样的缺陷是进一步扩展的损害的来源，这种损害易于限制光学元件的传输。

专利EP0196730描述了一种在玻璃瓶回收过程中一即在其制造和使用之后—修复表面劣化的方法。根据这种方法，0.7mm直径的激光束扫过玻璃瓶的整个表面，使玻璃表面达到500-600℃的温度。该表面温度高于玻璃软化温度，这导致瓶子外表面的局部重熔，从而消除了深度10微米以上的缺陷。专利US2004/154646描述了一种玻璃的修复方法，从而除去例如10μm至0.1mm深的表面缺陷。该方法包含通过将一个几平方毫米的区域置于热源之下来使玻璃表面局部重熔的步骤。然而，这种重熔玻璃表面的技术会引起表面形变，这与光学系统应用所需要的光学表面品质不相容，例如，在功率激光链中的应用。

现有不同的方法用来修复窗户或舷窗上的具有毫米数量级尺寸的刻痕，所述窗户或舷窗不需要精密光学应用所必需的表面平滑度。例如，专利EP1473143、US2003/205831、US4047863、US3914145和WO2000/024567描述了这些方法中的某一些。这些方法可以获得所需的可视效果并能够增强窗户的强度，但是其不能以任何方式应用于精密光学元件，因为由于该处理所引起的局部表面改变或是材料指数的改变，这些解决方案会引起光学传输时波面的变形。

另一方面，已经进行了许多对以减少光学元件表面缺陷为目的抛光方法的研究。因此，专利JP2000-117605、WO2001/083163和JP2001-239454提出了减少缺陷数量的表面抛光方法。然而，这些方法迫使光学元件的制造商改变其制造工艺和抛光工具，这可以执行，但是将损害先前获得的其他性能，例如表面平滑度。