超薄光學(xué)元件的精密性加工分析

郝玉良

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700）

0 引言

超博光學(xué)加工過程會受到重力與磨頭產(chǎn)生應(yīng)力而產(chǎn)生形態(tài)，因此，必須要研究一種能夠避免這個問題的加工方法。光學(xué)元件的超薄設(shè)計是實現(xiàn)其輕質(zhì)化的關(guān)鍵，并且平板型超薄光學(xué)元件已經(jīng)成了未來應(yīng)用、加工的一個趨勢，現(xiàn)階段，國內(nèi)外在這個方面的研究已經(jīng)獲得了一定成就，本文主要是對精密銑磨、精密拋光以及離子束修形等技術(shù)進行討論。

1 形變誤差補償?shù)木茔娔ゼ夹g(shù)

由于超薄光學(xué)元件加工中容易出現(xiàn)形變，因此，在研究相關(guān)技術(shù)的過程中，就將預(yù)防形變作為最根本的基礎(chǔ)和參考，精密銑磨技術(shù)可以對形變誤差進行補償，從而達(dá)到加工標(biāo)準(zhǔn)與要求，提高元件的精密性，具體分析如下：

1.1 真空吸附基地支撐法

采用基地支撐法能夠滿足光學(xué)元件制作的硬度要求[1]，但是，由于光學(xué)元件上盤、下盤可能會出現(xiàn)不同程度的形變，在一般情況下，上盤前面形與下盤后面向相比，其精密是相對要好一些的。那么基于這樣的問題，光學(xué)元件在銑磨階段，必須要采用一定的形變補償機制，通過這樣的補償可以達(dá)到提高下盤面形精密度的目的。真空吸附基地支撐法具有自己的基本結(jié)構(gòu)，并且要嚴(yán)格按照規(guī)范和要求進行，具體來說：首先，要進行平面鋁盤制作，鋁盤口徑為24cm，鋁盤中間開口處作為抽干內(nèi)部氣體的主要渠道，之后根據(jù)實際情況再制作一個凹槽，凹槽口徑也有要求，通常來說這個口徑為14cm，制作凹槽的目的就是能夠?qū)⑾鹉z密封圈放置其中；接下來要在鋁盤上黏貼聚氨酯，黏貼厚度要控制在0.8mm左右[2]，完成黏貼之后要將聚氨酯固化24h，使其能夠達(dá)到穩(wěn)固要求；第三個步驟，就是要充分發(fā)揮銑磨機的修整優(yōu)勢，充分打磨光學(xué)元件，打磨元件要使其最大限度實現(xiàn)表面的平滑工整，一般要達(dá)到μm級別，達(dá)到如上標(biāo)準(zhǔn)才可以滿足光學(xué)元件鍥角。

1.2 超薄光學(xué)軟件形變誤差補償法

除了上述加工方法之外，超薄光學(xué)軟件形變誤差補償法也是一種有效防止元件形變的方法。超薄光學(xué)元件在抗形變方面很差，而導(dǎo)致這些元件發(fā)生改變的主要原因就是裝卡以及磨削磨輪的過程中會產(chǎn)生壓力過大的現(xiàn)象。過去的銑磨方式砸控制表面面形方面很難達(dá)到理想狀態(tài)，因此，采用ANSYS元件仿真模擬對光學(xué)元件受裝卡影響所出現(xiàn)的情況，以及形變情況進行模擬，這樣人們就可以直觀地了解到元件形變的情況，通過分析受力分布圖，人們可以發(fā)現(xiàn)，在不同的環(huán)帶上，受力情況是不斷變化的，受力會從四周向中間逐漸變大。那么，結(jié)合手里分布以及形變的情況，就能夠?qū)鈱W(xué)元件未來的變化進行預(yù)測，從而獲得誤差補償?shù)姆椒╗3]。

技術(shù)人員可以通過對比的方式，更好的了解到哪一種銑磨方式效果最好。首先，在元件加工中使用普通的銑磨方法，并對輪廓儀進行檢測，得到受力分布圖之后，將其與誤差補償前的圖進行對比，就可以發(fā)現(xiàn)，元件加工結(jié)果與仿真結(jié)果是相反的，而出現(xiàn)這個結(jié)果的原因就是元件下盤之后，獲得了釋放與回彈。這個時候?qū)嶋H加工的面形結(jié)果以及仿真結(jié)果進行對比，這樣就可以對其進行補償。采用這種方法可以很好地提高面形精準(zhǔn)度，使其能夠更好地符合實際需求以及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

2 多工藝迭代精密拋光技術(shù)

2.1 以氣囊磨頭為基礎(chǔ)的精密拋光技術(shù)

拋光是光學(xué)元件加工過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，拋光的目的是保障光學(xué)元件表面光滑，能夠滿足使用需求。在本文的研究中主要是通過鍥角和面形的修整對精密拋光技術(shù)進行研究分析的。數(shù)控氣囊拋光技術(shù)采用CCOS原理，能夠達(dá)到一定的精密度，不僅可以控制多種影響因素，而且還能夠提升精準(zhǔn)度，結(jié)合往年的研究經(jīng)驗，人們發(fā)現(xiàn)銑磨啞光表面所產(chǎn)生的表面損傷厚度大約在十幾微米左右，降低表面損傷時想要提高效率，就需要采用聚氨酯氣囊，同時要將光學(xué)元件測量的實際結(jié)果作為基礎(chǔ)，及時作出反饋。從元件表面與鍥角誤差兩個方面入手進行薄板修正，將某個光學(xué)表面作為鍥角修正的依據(jù)，對另外一個表面與其形成的傾斜角進行測量，拋光的過程中根據(jù)實際需求，選擇相應(yīng)的設(shè)備，目前市面的設(shè)備有很多，選擇時一定要選擇大品牌，口碑好的產(chǎn)品，這樣才能夠更好保障拋光效果。

2.2 以瀝青磨頭為基礎(chǔ)的光學(xué)平滑技術(shù)

上述研究的拋光技術(shù)會受到一定因素的影響，容易出現(xiàn)邊緣效應(yīng)，這樣就會導(dǎo)致元件收斂時的精度降低。過去研磨拋光是主要的拋光技術(shù)，其優(yōu)勢是可以有效控制氣囊所帶來的誤差。而采用當(dāng)前的光學(xué)平滑技術(shù)，不僅可以有效控制誤差問題，而且還能夠更好的清楚切削拋光過程中產(chǎn)生的殘余，有效改善元件表面粗糙的問題。

2.3 超光滑表面加工技術(shù)

超光表面加工技術(shù)已經(jīng)相對完善，應(yīng)用比較廣泛、效果好的技術(shù)主要有浮法拋光、彈性發(fā)射加工以及磁流變拋光等，這些拋光技術(shù)的拋光效果好，得到了業(yè)界的一致認(rèn)可。復(fù)發(fā)拋光最早是日本研究者提出的，這項拋光技術(shù)能夠使元件表面粗糙度低于0.1nmrms，運用這項技術(shù)不僅表面能夠達(dá)到超級光滑的程度，而且表面損傷低，殘余應(yīng)力小。隨著基礎(chǔ)的發(fā)展，越來越多的超光滑表面加工技術(shù)被研發(fā)出來，磁流變拋光是由俄羅斯學(xué)者提出的，經(jīng)過研發(fā)這項技術(shù)對表面進行拋光，能夠使表面粗糙度低于0.5nmrms。

國內(nèi)超光滑拋光技術(shù)與國際水平相比，還存在一定差距，目前所使用技術(shù)主要是對傳統(tǒng)拋光方法的改進，在加工精度以及穩(wěn)定性方面還有待提高。而隨著超薄光學(xué)元件的出現(xiàn)，超光滑拋光技術(shù)也在不斷完善，新型微射流超光滑表面技工技術(shù)應(yīng)運而生，這項拋光技術(shù)是采用拋光液射流的方式對元件表面進行拋光處理的，磨頭不斷旋轉(zhuǎn)，帶動拋光液運動，從而對元件表面進行拋光，拋光液從磨頭底部微小的空隙中流出，之后沿著拋光頭的走向流動，拋光液運動會產(chǎn)生一定的動壓力，在磨頭抬起時會產(chǎn)生一定的距離，微細(xì)磨料顆粒在磨頭旋轉(zhuǎn)的帶動下，會對元件表面進行不斷沖刷，但是這個沖刷不會導(dǎo)致元件表面發(fā)生塑性形變。

3 光學(xué)元件的高精度離子束修形

在超薄光學(xué)元件精度加工中高精度離子束修形可以在真空環(huán)境中，借助離子源發(fā)射的離子束，對光學(xué)元件表面進行拋光，最終提高元件表面光滑度。這種高精度離子束修形的技術(shù)，能夠大大提高元件加工的效率和質(zhì)量，在元件表面原子接觸到能量之后，就會逐漸掙脫表面的束縛能，徹底從光學(xué)表面脫離出來，最終元件表面會越發(fā)光滑。

光學(xué)元件離子束修形是一種不用直接接觸的光學(xué)加工技術(shù)，也就是加工設(shè)備不需要直接接觸到光學(xué)元件表面就可以達(dá)到加工的目的，這項加工技術(shù)克服了接觸式技術(shù)逐漸變慢的問題，大大提高了光學(xué)元件加工的效率，也解決光學(xué)元件表面出現(xiàn)形變的問題。采用這項技術(shù)加工光學(xué)元件時，可能會出現(xiàn)元件表面溫度過高的問題，而過高的溫度可能會出現(xiàn)表面形變，但是，在逐漸完成對元件的過程中，溫度會逐漸恢復(fù)正常，面形也會逐漸恢復(fù)，因此，問題不大。

前面的環(huán)節(jié)中加工超薄光學(xué)元件形成的面形水平還不夠高，那么為了能夠更好地提升其精準(zhǔn)度，減少加工的時間，可以采用離子束修的方式，將其分成兩個部分施行。一般來說，離子源配置會采用30mm的柵網(wǎng)，將靶距控制135mm，無光闌則是采用30mm的柵網(wǎng)，靶距則要控制在25mm，這些數(shù)據(jù)要嚴(yán)格按照要求和標(biāo)準(zhǔn)核實，否則就會降低加工的精準(zhǔn)度，只有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)定進行才能夠使元件生產(chǎn)加工符合要求。

離子加工束是在20世紀(jì)70年代被研發(fā)出來的，這種超精密性的加工方法，充分利用了能力多行氣體離子束流轟擊的工作原理，利用離子對光學(xué)原價表面進行加工，通過離子之間的碰撞，使其脫離元件表面，從而達(dá)到除去表面材料的目的。采用這項技術(shù)進行元件加工，能夠使其表面達(dá)到一個很好的修整效果。

4 結(jié)束語

目前，高精度光學(xué)元件加工技術(shù)已經(jīng)得到了很大進步，本文主要是對離子束修形、精密銑磨以及精密拋光的過程、原理進行研究。并且分別對其中的各項技術(shù)種類進行了分析，在實際生產(chǎn)加工中唯有充分了解其原理，并從實際出發(fā)，選擇合適的加工技術(shù)才能夠達(dá)到提高元件加工精準(zhǔn)度的目的。