[发明专利]一种光学零件高精度平面的修形加工方法

说明书

技术领域

本发明属于光学零件加工技术领域，具体来说是一种光学零件高精度平面的修形加工方法。

背景技术

平面光学元件是光学系统的重要组成部分，比如望远镜系统中的平面反射镜、抛物面镜检验系统中的平面标准镜等。在这些系统中，平面光学元件的精度影响着系统的成像质量和检测结果。近年来，随着光学技术的发展，光学系统中的光学元件不断呈现出数量多和口径大的趋势，如大型天文望远镜、高功率激光装置等。以美国国家点火装置(NIF)为例,是一项庞大而又复杂的巨型光学工程，其对光学元件的要求无论是质量上还是数量上都是空前的，192路光束共需约7500件42cm×42cm以上尺寸的大口径光学元件，再加上备份元件和小口径元件总计共需约30000件光学元件，这其中就包含了大量的平面光学元件。随着平面光学元件口径的不断增大，其加工难度和成本也在不断提升。

以碳化硅陶瓷为代表的颗粒复合材料因具有密度低、比刚度高、膨胀系数小、导热性能好、线膨胀系数均匀、热性能和机械性能各向同性等诸多方面的优点，使其在光学系统中有着很好的应用前景，以该类材料制作的反射镜具有高强度的机械性能，能够做成高度轻量化的轻型结构镜，从而大幅降低系统的质量。碳化硅陶瓷材料也有自身的缺陷，一方面，碳化硅表面致密程度远不如玻璃材料，残留的气孔等缺陷会使抛光后的碳化硅表面粗糙度仅能达到3～4nm(RMS)，不能满足高精度反射镜所需的表面粗糙度优于1nm(RMS)的技术指标要求。另一方面，由于碳化硅的硬度和化学稳定性都很高，加工效率较低。为了获得高精度的反射镜，一般先将碳化硅基底加工到一定精度后，再对其表面进行改性，即在碳化硅表面镀制一层致密的改性层用以覆盖碳化硅表面缺陷及改善其可加工性，最后，对碳化硅表面改性层加工得到高精度反射镜。

传统加工方法采用沥青盘环抛方式获得高精度平面，在加工过程中需要对表面不断进行测量并调整工艺参数，是一种基于人工经验的不确定加工方法。由于去除余量的不确定，表面的改性层要镀制的足够厚，以防止在表面加工到指定精度时改性层过薄甚至完全被抛掉。而较厚的镀层厚度不仅增加镀制的时间和成本，而且会在改性层内部产生较大的残余应力，影响到改性层的力学稳定性。

为了克服传统光学平面加工存在的非确定加工问题，目前高端光学元件采用以计算机控制抛光技术为代表的局部修形加工技术。该类技术不仅可以进行高精度平面零件的确定性修形加工，而且也能胜任曲面零件的修形加工。但由于采用局部修形加工的方式，该类技术存在以下问题：加工效率较低，最终加工零件表面存在中高频误差，会对光学性能产生影响,需要额外的光顺工艺去除中高频误差。除计算机控制抛光之外，从原理出发对传统的抛光技术进行改进，诞生了磁流变抛光和离子束抛光等技术，特别适合于光学零件表面的超高精度加工。磁流变抛光技术产生于上世纪90年代初，它是使用强磁场对磁流变液进行控制，使其形成能够起到磨削作用的“磨头”，磨头的形状和硬度都是由磁场根据被加工的元件做出适当的调整。在抛光时，通过计算机来控制抛光的轨迹和驻留时间从而使得磨头与工件之间可以进行准确、有效的磨削。但是，磁流变抛光的材料去除量较小，对被抛光表面的面形精度具有较高的要求，多应用于工件的后期抛光，在使用它之前需应用传统的抛光技术进行相应的预抛光处理。离子束抛光是利用具有一定能量的惰性气体离子束流轰击工件表面,通过离子和工件表面的原子碰撞,传递动量和能量,使得一部分原子被剥离工件表面，形成对工件表面材料的去除。与磁流变抛光一样，在使用离子束抛光前也要进行相应的预抛光处理，而且对加工环境要求比较严格，它需要在高真空的环境下工作，使得相关设备的价格昂贵，成本高。

相对于基于逐点去除的局部修形技术，全局修形技术具有相对较高的材料去除率，而且可以避免在工件表面产生高频误差。集成电路制造领域，在铜互连层的制作过程中，为了实现表面多余铜材料的均匀一致去除，采用一种基于分区背压调整材料去除率分布的控制方法——多区压力平坦化。这一方法实现了全局材料去除率的控制，理论上可用于平面的全局修形加工，但是，该方法存在问题是：只适用于超薄零件的加工，此外，去除函数受薄板弯曲特性限制,修形能力有限。

发明内容

针对上述问题，为解决现有光学零件加工方法的不足，本发明的主要目的是提供一种光学零件高精度平面的修形加工方法，该方法主要针对平面光学零件加工，既能够实现光学零件表面的确定性全局修形加工，减小去除余量，提高加工效率，避免表面高频误差并降低加工成本，又可以适用于任意厚度零件的加工。