[发明专利]一种光学元件表面高频振动共形加工装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件表面高频振荡加工方法和装置，属于先进光学制造技术领域。

背景技术

现代光学制造工程具有显著的极端制造特征，即在极端技术条件要求的背景下，制造极端尺度或极高功能器件或功能系统的大科学工程。我国目前正面临着完成大口径望远镜系统、纳米尺度光刻系统和高功率激光系统等典型的极端光学研制工程任务。这些系统光学元件要求口径越来越大，相对孔径越来越高，面形质量也在极大的提高。不仅是传统意义评价手段PV和RMS的提高，许多光学系统在面形中高频误差方面也有了明确的要求。

现代科技发展对高精度光学元件的需求，迫使其相应的光学加工技术不断完善、发展和创新。而且，随着需求量的不断增加，相应的光学元件加工技术不但要具有高精度和高可靠性，而且还应具备高效率、成批生产加工的能力。对目前光学加工技术提出挑战的高精度加工元件有非球面和异形曲面，而非球面的主要加工方法是传统的研磨抛光方法，其原理为磨具与镜面在全口径范围的刚性相对研磨与抛光，这种方法加工周期长，效率低，面形收敛不稳定，其加工出来的非球面光学表面中高频误差比较大，严重的影响了光学系统的性能。随着技术的不断发展，逐渐对诸如切面尖拱这样深凹或深凸的小f数元件和自由曲面元件等异形光学元件提出了使用要求，而其相应的加工原理和可实际运用的加工技术，国内尚处于起步阶段，有待进行深入的研究。

鉴于对高精度、超光滑非球面、异形光学表面的需求，如何获得高面形精度以满足光学系统质量的要求，如何实现超光滑表面加工以应对系统能量和对比度的苛刻要求，如何在有限成本的情况下更快效率的满足需求，都成为亟待解决的问题。

经过几个世纪的发展，光学加工方法已有很多，按其特点大致可分为材料去除加工法、变形加工法和附加加工法。其中，材料去除加工法是通过去除零件表面材料，使零件表面质量达到指标要求；变形加工法主要包括应力变形法、热压成形法、光学玻璃透镜模压成型法及光学塑料注射成形、铸造成形和压制成形等；附加加工法是在光学元件的表面附加一层材料，使之形成所要求的非球面形状，主要包括真空镀膜法和复制成型法。变形加工法和附加加工法一般应用于民用大批量低精度系统，很难保证高精度光学系统的需求，去除加工法是目前高精度光学加工的唯一手段。

20世纪70年代起，以美国为代表的发达国家开始了计算机辅助加工技术的研究，逐渐发展了多种计算机辅助加工技术。主要有计算机控制小尺寸磨具光学表面成形技术（CCOS）、应力盘抛光加工技术(Stressed-lap polishing,SLP)、磁流变抛光技术(Magnetorheological finishing,MRF)和离子束抛光技术（Ion beam figuring,IBF）等。目前在我国已相继发展了如小工具抛光技术、磁流变抛光技术、离子束抛光技术等数控新型抛光技术，但新型的抛光技术各有自身优缺点和适应范围。应力盘（SLP）适用于大口径非球面抛光，抛光效率高、但精度低；离子束（IBF）抛光精度高，但去除效率低。一般而言，应力盘技术、小工具抛光技术把元件面形抛光到一定精度后，需要精度更高但抛光效率更低的抛光技术来进行修正。此外，由于应力盘、小工具以及磁流变等技术的抛光盘适用于一定曲率半径范围的工件，不能满足深凹、深凸等小f数元件和自由曲面元件的加工。因此，需要不断发展新的高精度光学元件先进加工技术和平台，这种技术和平台能与其他数控抛光技术优势互补，实现面形全频段误差修正、高效率、高精度和低成本的加工生产。

高频振动共形抛光技术是一种全口径覆盖抛光技术，能适合各种形状光学表面的抛光，如其他抛光技术难以加工的深凹、深凸、保形光学元件和自由曲面等形状的异形光学元件；加工效率很高，既可以用于预抛光阶段实现快速材料去除，去除效率较传统预抛光方法提高10-50倍；而且可以通过控制抛光压力和振动频率以及选择合适的共形柔性层材料实现中高频误差的平滑抑制，具有中高频面形误差平滑的作用。

发明内容

针对光学元件高效加工和非球面等元件加工的中高频误差抑制需求，提出一种光学元件表面高频振荡共形加工装置和方法。