一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法與流程

本發(fā)明涉及非球面元件加工技術(shù)領(lǐng)域，且特別涉及一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法。

背景技術(shù)：

大口徑非球面元件具有無中心遮攔、可改善像質(zhì)且簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，已成為空間相機、極紫外光刻機、超高功率激光裝置等大型光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。隨著科技的發(fā)展，當前大型光學(xué)系統(tǒng)對元件的表面質(zhì)量和制造效率均提出了遠遠超越于古典光學(xué)系統(tǒng)的要求。以美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(lawrencelivermorenationallaboratory，llnl)建立的高功率固體激光器—“國家點火裝置”(nationalignitionfacility，nif)為例，整個裝置的光學(xué)系統(tǒng)使用幾百件大口徑(米級)非球面元件。由于裝置設(shè)計要求輸出光束質(zhì)量接近物理極限的強激光束，而系統(tǒng)的光束質(zhì)量和輸出能力在很大程度上取決于所用非球面元件的精度和負載能力。因此，該系統(tǒng)對非球面元件的精度指標和質(zhì)量要求基本上接近于加工的極限，非球面元件的技術(shù)指標要求，如低頻誤差≤λ/3，中頻誤差psd-1：a≤1.01ν^-1.55，rms≤1.8nm，高頻誤差≤1.0nm。因此，如何在滿足嚴格技術(shù)指標的前提下，穩(wěn)定可控地生產(chǎn)出大型光學(xué)系統(tǒng)所需的大口徑非球面元件成為所有大型光學(xué)系統(tǒng)建造國家所面臨的基本挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的大口徑非球面元件加工方法為：首先通過銑磨成形、散粒研磨及拋光加工出最接近球面，再利用手工修拋或數(shù)控機床由球面加工出非球面。這種基于先拋光加工球面，再由球面加工到非球面的方式具有明顯的加工局限性，比如非球面度(球面與非球面偏差)大的元件拋光去除的材料量大，極大影響加工效率；銑磨或研磨過程的缺陷深度較難實現(xiàn)穩(wěn)定控制，影響后續(xù)缺陷去除的加工時間；拋光階段確定性不足，面形收斂率低，加工周期長等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于控制非球面元件全頻誤差的加工方法，此方法可提高非球面加工效率，而且可控制全頻段誤差，有效地提高加工大口徑非球面元件最終全頻段精度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

本發(fā)明提出一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法，其包括以下步驟：

磨削成型：采用超精密磨削方法進行非球面元件的直接成型，同時將亞表面缺陷控制在較低水平；

保形拋光：采用高穩(wěn)定性、高去除效率的子口徑拋光技術(shù)，實現(xiàn)非球面元件的快速保形拋亮，以去除亞表面缺陷；

修正拋光：采用高穩(wěn)定性的子口徑拋光技術(shù)快速修正非球面元件低頻誤差，使非球面元件低頻指標達到光學(xué)系統(tǒng)使用要求；

勻滑拋光：采用勻滑拋光技術(shù)，在低頻誤差不被惡化的情況下，控制非球面元件中高頻誤差，使非球面元件中高指標達到光學(xué)系統(tǒng)使用要求。

本發(fā)明實施例的一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法的有益效果是：

提供的一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法，首先，將磨削得到的具有初始非球面形狀精度的非球面元件進行保形拋光，以去除磨削缺陷層，并改善非球面元件表面粗糙度使其可直接進行干涉檢測。采用平行磨削技術(shù)對非球面元件進行精密磨削加工，使得磨削后達到初始非球面形狀精度。保形拋光可以快速去除磨削缺陷層，并改善元件的粗糙度使其可直接進行干涉檢測。其次，對經(jīng)過保形拋光的非球面元件進行去除低頻段誤差修正拋光和去除中高頻段誤差的勻滑拋光。修正拋光可以有效地修正低頻誤差。勻滑拋光可以快速去除中高頻誤差，直至最終技術(shù)要求。此方法可提高非球面加工效率，而且可控制全頻段誤差，有效地提高加工大口徑非球面元件最終全頻段精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1是本發(fā)明中設(shè)計的理想的非球面元件表面誤差收斂過程；

圖2是本發(fā)明的實施例提供的控制非球面元件全頻段誤差的工藝加工方法圖；

圖3是本發(fā)明的實施例提供控制非球面元件全頻段誤差的加工方法圖；

圖4a是本發(fā)明實施例提供的磨削加工后非球面面形圖；

圖4b是本發(fā)明實施例提供的氣囊保形拋光后非球面透過波前圖；

圖4c是本發(fā)明實施例提供的第一次勻滑拋光后非球面透過波前圖；

圖4d是本發(fā)明實施例提供的氣囊修正拋光后非球面透過波前圖；

圖4e是本發(fā)明實施例提供的第二次勻滑拋光后非球面透過波前圖；

圖4f是本發(fā)明實施例提供的第二次勻滑拋光后非球面中頻誤差分布圖；

圖5是本發(fā)明的實施例提供的第二次勻滑拋光后非球面中頻psd曲線圖；

圖6a是本發(fā)明的實施例提供的磨削加工后非球面粗糙度圖；

圖6b是本發(fā)明的實施例提供的氣囊保形拋光后非球面粗糙度圖；

圖6c是本發(fā)明的實施例提供的第二次勻滑拋光后非球面粗糙度圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

下面對本發(fā)明實施例的一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法進行具體說明。

一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法，其包括以下步驟：

磨削成型：采用超精密磨削方法進行非球面元件的直接成型，同時將亞表面缺陷控制在較低水平；

保形拋光：采用高穩(wěn)定性、高去除效率的子口徑拋光技術(shù)，實現(xiàn)非球面元件的快速保形拋亮，以去除亞表面缺陷；

修正拋光：采用高穩(wěn)定性的子口徑拋光技術(shù)快速修正非球面元件低頻誤差，使非球面元件低頻指標達到光學(xué)系統(tǒng)使用要求；

勻滑拋光：采用勻滑拋光技術(shù)，在低頻誤差不被惡化的情況下，控制非球面元件中高頻誤差，使非球面元件中高指標達到光學(xué)系統(tǒng)使用要求。

在本實施例中，采用高穩(wěn)定性的子口徑拋光技術(shù)快速修正非球面元件低頻誤差，使非球面元件低頻指標達到光學(xué)系統(tǒng)使用要求。并且，采用平行磨削技術(shù)對非球面元件進行精密磨削加工，使得磨削后達到初始非球面形狀精度。

在本實施例中，保形拋光采用高穩(wěn)定性、高去除效率的子口徑拋光技術(shù)，實現(xiàn)非球面元件的快速保形拋亮，以去除亞表面缺陷。并且，可以快速去除磨削缺陷層，并改善元件的粗糙度使其可直接進行干涉檢測。

具體地，本發(fā)明的實施例選取的是口徑為ф400mm的非球面元件。此尺寸的非球面元件屬于大口徑非球面元件。當然，在本發(fā)明的其他實施例中，非球面元件的口徑大小可以根據(jù)需求進行選擇，本發(fā)明不做限定。

具體地，具有初始非球面形狀精度的非球面元件是采用平行磨削技術(shù)對非球面元件進行磨削加工，優(yōu)選地，磨削加工的參數(shù)為：金剛石砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速1500～2000r/min，進給速度4500～6000mm/min，進刀量5～25μm。當然，在本發(fā)明的其他實施例中，磨削加工的參數(shù)可以根據(jù)具體需求進行調(diào)整，本發(fā)明不做限定。

其中，平行磨削技術(shù)是基于x/y/z三直線軸磨床，通過圓弧砂輪運行光柵式軌跡，砂輪的外圓輪廓面上不同接觸點的軌跡在被加工工件上形成一個非球面包絡(luò)面，完成整個非球曲面包絡(luò)加工。

其中，對非球面元件進行磨削加工的過程中面形采用面形在位檢測，優(yōu)選采用非接觸式面形檢測系統(tǒng)進行檢測，粗糙度采用泰勒輪廓儀檢測。詳細地，磨削完成后，采用非接觸式面形檢測系統(tǒng)在超精密磨削機床進行非球面面形在位檢測，采用泰勒輪廓儀檢測非球面表面粗糙度。

具體地，進行保形拋光是采用氣囊拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)或磁流變拋光技術(shù)對非球面元件進行保形拋光。

其中，采用氣囊拋光技術(shù)對超精密磨削后的非球面元件快速保形拋亮，可以去除磨削表面的缺陷。氣囊保形拋光參數(shù)為：氣囊半徑80mm，氣囊下壓量1mm，氣囊內(nèi)部壓強0.1mpa，氣囊轉(zhuǎn)速1500rpm，氣囊進給速度1500mm/min，光柵路徑，路徑間距2mm。當然，在本發(fā)明的其他實施例中，拋光參數(shù)還可以根據(jù)需求進行調(diào)整。并且，在氣囊保形拋光完成后，采用球面動態(tài)干涉儀搭建的非球面自準式干涉檢測系統(tǒng)進行非球面透過波前檢測，以便于確定氣囊拋光是否達到了非球面保形去除磨削缺陷層的工藝目的；采用zygo粗糙度儀檢測非球面表面粗糙度，以便于確定氣囊保形拋光是否改善了非球面表面光潔度，加工后元件是否可直接采用球面干涉儀進行透射波前檢測。

在本實施例中，修正拋光是采用高穩(wěn)定性的子口徑拋光技術(shù)快速修正非球面元件低頻誤差，使非球面元件低頻指標達到光學(xué)系統(tǒng)使用要求。修正拋光可以有效地修正低頻誤差。勻滑拋光是采用勻滑拋光技術(shù)，在低頻誤差不被惡化的情況下，控制非球面元件中高頻誤差，使非球面元件中高指標達到光學(xué)系統(tǒng)使用要求。勻滑拋光可以快速去除中高頻誤差，直至最終技術(shù)要求。此方法可提高非球面加工效率，而且可控制全頻段誤差，有效地提高加工大口徑非球面元件最終全頻段精度。

具體地，進行修正拋光是采用氣囊拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)或磁流變拋光技術(shù)對非球面元件進行修正拋光。

其中，采用氣囊拋光技術(shù)可以快速修正非球面元件表面低頻誤差，氣囊修正拋光參數(shù)為：氣囊半徑40mm、80mm，氣囊下壓量0.5～1mm，壓強0.1mpa，氣囊轉(zhuǎn)速1000～1500rpm，光柵路徑，路徑間距1～2mm。當然，在本發(fā)明的其他實施例中，修正拋光的參數(shù)可以根據(jù)需求進行選擇，本發(fā)明不做限定。并且，在氣囊修正拋光完成后，采用球面動態(tài)干涉儀搭建的非球面自準式干涉檢測系統(tǒng)進行非球面透過波前檢測。

具體地，進行勻滑拋光是采用柔性瀝青小工具拋光技術(shù)或環(huán)形氣囊拋光技術(shù)來對非球面元件進行勻滑拋光。非球面經(jīng)氣囊修正拋光后元件低頻指標達到要求，但是表面富含較多中高頻誤差。因此，采用柔性瀝青勻滑拋光技術(shù)去除中高頻誤差，直到達到光學(xué)系統(tǒng)對中高頻誤差的要求。

其中，勻滑拋光包括在對非球面元件進行修正拋光之前對非球面元件進行第一次勻滑拋光，以及在對非球面元件進行修正拋光后對非球面元件進行第二次勻滑拋光，第一次勻滑拋光和第二次勻滑拋光的參數(shù)均為：瀝青柔性拋光盤直徑45～55mm、偏心4～6mm、自轉(zhuǎn)18～22r/min、公轉(zhuǎn)180～220r/min、壓強0.05～0.12mpa，光柵路徑、路徑間距4～6mm；優(yōu)選地，瀝青柔性拋光盤直徑50mm、偏心5mm、自轉(zhuǎn)20r/min、公轉(zhuǎn)200r/min、壓強0.1mpa，光柵路徑、路徑間距5mm。當然，在本發(fā)明的其他實施例中，第一次勻滑拋光和第二次勻滑拋光的參數(shù)均可以根據(jù)需求進行選擇，本發(fā)明不做限定。并且，勻滑拋光完成后，采用球面動態(tài)干涉儀搭建的非球面自準式干涉檢測系統(tǒng)進行非球面透過波前檢測，采用zygo粗糙度儀檢測非球面表面粗糙度。

在本發(fā)明的實施例中，對非球面元件的修正拋光和勻滑拋光可交替進行，以使得非球面元件的全頻段誤差均達到指標要求。

參閱圖1至圖6，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的特征和性能作進一步的詳細描述。

本實施例提供了一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法，其包括以下步驟：

首先，磨削成型是采用超精密磨削方法進行非球面元件的直接成型。

其中，采用平行磨削技術(shù)對非球面元件進行磨削加工。磨削加工的參數(shù)為：金剛石砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速1500r/min，進給速度4500mm/min，進刀量5μm。磨削完成后，采用非接觸式面形檢測系統(tǒng)在超精密磨削機床進行非球面面形在位檢測，如圖4a所示，檢測結(jié)果為2303nm；采用泰勒輪廓儀檢測非球面表面粗糙度，如圖6a所示，檢測結(jié)果為55nm。

其次，保形拋光是實現(xiàn)非球面元件的快速保形拋亮，以去除亞表面缺陷。保形拋光是采用氣囊拋光技術(shù)，氣囊保形拋光參數(shù)為：氣囊半徑80mm，氣囊下壓量1mm，氣囊內(nèi)部壓強0.1mpa，氣囊轉(zhuǎn)速1500rpm，氣囊進給速度1500mm/min，光柵路徑，路徑間距2mm。在氣囊保形拋光完成后，采用球面動態(tài)干涉儀搭建的非球面自準式干涉檢測系統(tǒng)進行非球面透過波前檢測，如圖4b所示，檢測結(jié)果為透過波前pv為1022nm(換算至非球面面形pv約2044nm)；采用zygo粗糙度儀檢測非球面表面粗糙度，如圖6b所示，檢測結(jié)果為3.74nm。

然后，修正拋光是采用高穩(wěn)定性的子口徑拋光技術(shù)快速修正非球面元件低頻誤差，使非球面元件低頻指標達到光學(xué)系統(tǒng)使用要求。

其中，氣囊修正拋光參數(shù)為：氣囊半徑40mm，氣囊下壓量0.5，壓強0.1mpa，氣囊轉(zhuǎn)速1000rpm，光柵路徑，路徑間距1mm。在氣囊修正拋光完成后，采用球面動態(tài)干涉儀搭建的非球面自準式干涉檢測系統(tǒng)進行非球面透過波前檢測，如圖4d所示，檢測結(jié)果透過波前pv為149nm。

再然后，勻滑拋光是在低頻誤差不被惡化的情況下，控制非球面元件中高頻誤差。勻滑拋光包括在對非球面元件進行修正拋光之前對非球面元件進行第一次勻滑拋光，以及在對非球面元件進行修正拋光后對非球面元件進行第二次勻滑拋光，優(yōu)選地，第一次勻滑拋光和第二次勻滑拋光的參數(shù)均為：瀝青柔性拋光盤直徑50mm、偏心5mm、自轉(zhuǎn)20r/min、公轉(zhuǎn)200r/min、壓強1mpa，光柵路徑、路徑間距5mm。

并且，第一次勻滑拋光完成后，采用球面動態(tài)干涉儀搭建的非球面自準式干涉檢測系統(tǒng)進行非球面透過波前檢測，如圖4c所示，檢測結(jié)果為透過波前pv為856nm。且如圖4e所示，第二次勻滑拋光后透過波前pv為56.7nm，經(jīng)計算，如圖4f所示，最終非球面psd1頻段內(nèi)rms值為1.7nm。如圖5所示，非球面中頻psd曲線均在評價曲線之下，采用zygo粗糙度儀檢測非球面表面粗糙度，如圖6c所示，檢測結(jié)果為0.69nm。

綜上所述，參閱圖1至圖6，本發(fā)明實施例的一種用于控制非球面元件全頻段誤差的加工方法，使得實現(xiàn)了大口徑非球面元件全頻段誤差控制，低頻段、中頻段、高頻段誤差分別為達到了pv≤60nm，psd1：a≤1.01ν^-1.55，rms≤1.8nm，rq≤1nm。因此，可以提高非球面加工效率，而且可控制全頻段誤差，有效地提高加工大口徑非球面元件最終全頻段精度。

以上所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。