超薄光学元件的精密性加工分析

郝玉良

（闽南理工学院，福建 石狮 362700）

0 引言

超博光学加工过程会受到重力与磨头产生应力而产生形态，因此，必须要研究一种能够避免这个问题的加工方法。光学元件的超薄设计是实现其轻质化的关键，并且平板型超薄光学元件已经成了未来应用、加工的一个趋势，现阶段，国内外在这个方面的研究已经获得了一定成就，本文主要是对精密铣磨、精密抛光以及离子束修形等技术进行讨论。

1 形变误差补偿的精密铣磨技术

由于超薄光学元件加工中容易出现形变，因此，在研究相关技术的过程中，就将预防形变作为最根本的基础和参考，精密铣磨技术可以对形变误差进行补偿，从而达到加工标准与要求，提高元件的精密性，具体分析如下：

1.1 真空吸附基地支撑法

采用基地支撑法能够满足光学元件制作的硬度要求[1]，但是，由于光学元件上盘、下盘可能会出现不同程度的形变，在一般情况下，上盘前面形与下盘后面向相比，其精密是相对要好一些的。那么基于这样的问题，光学元件在铣磨阶段，必须要采用一定的形变补偿机制，通过这样的补偿可以达到提高下盘面形精密度的目的。真空吸附基地支撑法具有自己的基本结构，并且要严格按照规范和要求进行，具体来说：首先，要进行平面铝盘制作，铝盘口径为24cm，铝盘中间开口处作为抽干内部气体的主要渠道，之后根据实际情况再制作一个凹槽，凹槽口径也有要求，通常来说这个口径为14cm，制作凹槽的目的就是能够将橡胶密封圈放置其中；接下来要在铝盘上黏贴聚氨酯，黏贴厚度要控制在0.8mm左右[2]，完成黏贴之后要将聚氨酯固化24h，使其能够达到稳固要求；第三个步骤，就是要充分发挥铣磨机的修整优势，充分打磨光学元件，打磨元件要使其最大限度实现表面的平滑工整，一般要达到μm级别，达到如上标准才可以满足光学元件锲角。

1.2 超薄光学软件形变误差补偿法

除了上述加工方法之外，超薄光学软件形变误差补偿法也是一种有效防止元件形变的方法。超薄光学元件在抗形变方面很差，而导致这些元件发生改变的主要原因就是装卡以及磨削磨轮的过程中会产生压力过大的现象。过去的铣磨方式砸控制表面面形方面很难达到理想状态，因此，采用ANSYS元件仿真模拟对光学元件受装卡影响所出现的情况，以及形变情况进行模拟，这样人们就可以直观地了解到元件形变的情况，通过分析受力分布图，人们可以发现，在不同的环带上，受力情况是不断变化的，受力会从四周向中间逐渐变大。那么，结合手里分布以及形变的情况，就能够对光学元件未来的变化进行预测，从而获得误差补偿的方法[3]。

技术人员可以通过对比的方式，更好的了解到哪一种铣磨方式效果最好。首先，在元件加工中使用普通的铣磨方法，并对轮廓仪进行检测，得到受力分布图之后，将其与误差补偿前的图进行对比，就可以发现，元件加工结果与仿真结果是相反的，而出现这个结果的原因就是元件下盘之后，获得了释放与回弹。这个时候将实际加工的面形结果以及仿真结果进行对比，这样就可以对其进行补偿。采用这种方法可以很好地提高面形精准度，使其能够更好地符合实际需求以及生产标准。

2 多工艺迭代精密抛光技术

2.1 以气囊磨头为基础的精密抛光技术

抛光是光学元件加工过程中非常重要的一个环节，抛光的目的是保障光学元件表面光滑，能够满足使用需求。在本文的研究中主要是通过锲角和面形的修整对精密抛光技术进行研究分析的。数控气囊抛光技术采用CCOS原理，能够达到一定的精密度，不仅可以控制多种影响因素，而且还能够提升精准度，结合往年的研究经验，人们发现铣磨哑光表面所产生的表面损伤厚度大约在十几微米左右，降低表面损伤时想要提高效率，就需要采用聚氨酯气囊，同时要将光学元件测量的实际结果作为基础，及时作出反馈。从元件表面与锲角误差两个方面入手进行薄板修正，将某个光学表面作为锲角修正的依据，对另外一个表面与其形成的倾斜角进行测量，抛光的过程中根据实际需求，选择相应的设备，目前市面的设备有很多，选择时一定要选择大品牌，口碑好的产品，这样才能够更好保障抛光效果。

2.2 以沥青磨头为基础的光学平滑技术

上述研究的抛光技术会受到一定因素的影响，容易出现边缘效应，这样就会导致元件收敛时的精度降低。过去研磨抛光是主要的抛光技术，其优势是可以有效控制气囊所带来的误差。而采用当前的光学平滑技术，不仅可以有效控制误差问题，而且还能够更好的清楚切削抛光过程中产生的残余，有效改善元件表面粗糙的问题。

2.3 超光滑表面加工技术

超光表面加工技术已经相对完善，应用比较广泛、效果好的技术主要有浮法抛光、弹性发射加工以及磁流变抛光等，这些抛光技术的抛光效果好，得到了业界的一致认可。复发抛光最早是日本研究者提出的，这项抛光技术能够使元件表面粗糙度低于0.1nmrms，运用这项技术不仅表面能够达到超级光滑的程度，而且表面损伤低，残余应力小。随着基础的发展，越来越多的超光滑表面加工技术被研发出来，磁流变抛光是由俄罗斯学者提出的，经过研发这项技术对表面进行抛光，能够使表面粗糙度低于0.5nmrms。

国内超光滑抛光技术与国际水平相比，还存在一定差距，目前所使用技术主要是对传统抛光方法的改进，在加工精度以及稳定性方面还有待提高。而随着超薄光学元件的出现，超光滑抛光技术也在不断完善，新型微射流超光滑表面技工技术应运而生，这项抛光技术是采用抛光液射流的方式对元件表面进行抛光处理的，磨头不断旋转，带动抛光液运动，从而对元件表面进行抛光，抛光液从磨头底部微小的空隙中流出，之后沿着抛光头的走向流动，抛光液运动会产生一定的动压力，在磨头抬起时会产生一定的距离，微细磨料颗粒在磨头旋转的带动下，会对元件表面进行不断冲刷，但是这个冲刷不会导致元件表面发生塑性形变。

3 光学元件的高精度离子束修形

在超薄光学元件精度加工中高精度离子束修形可以在真空环境中，借助离子源发射的离子束，对光学元件表面进行抛光，最终提高元件表面光滑度。这种高精度离子束修形的技术，能够大大提高元件加工的效率和质量，在元件表面原子接触到能量之后，就会逐渐挣脱表面的束缚能，彻底从光学表面脱离出来，最终元件表面会越发光滑。

光学元件离子束修形是一种不用直接接触的光学加工技术，也就是加工设备不需要直接接触到光学元件表面就可以达到加工的目的，这项加工技术克服了接触式技术逐渐变慢的问题，大大提高了光学元件加工的效率，也解决光学元件表面出现形变的问题。采用这项技术加工光学元件时，可能会出现元件表面温度过高的问题，而过高的温度可能会出现表面形变，但是，在逐渐完成对元件的过程中，温度会逐渐恢复正常，面形也会逐渐恢复，因此，问题不大。

前面的环节中加工超薄光学元件形成的面形水平还不够高，那么为了能够更好地提升其精准度，减少加工的时间，可以采用离子束修的方式，将其分成两个部分施行。一般来说，离子源配置会采用30mm的栅网，将靶距控制135mm，无光阑则是采用30mm的栅网，靶距则要控制在25mm，这些数据要严格按照要求和标准核实，否则就会降低加工的精准度，只有严格按照标准以及规定进行才能够使元件生产加工符合要求。

离子加工束是在20世纪70年代被研发出来的，这种超精密性的加工方法，充分利用了能力多行气体离子束流轰击的工作原理，利用离子对光学原价表面进行加工，通过离子之间的碰撞，使其脱离元件表面，从而达到除去表面材料的目的。采用这项技术进行元件加工，能够使其表面达到一个很好的修整效果。

4 结束语

目前，高精度光学元件加工技术已经得到了很大进步，本文主要是对离子束修形、精密铣磨以及精密抛光的过程、原理进行研究。并且分别对其中的各项技术种类进行了分析，在实际生产加工中唯有充分了解其原理，并从实际出发，选择合适的加工技术才能够达到提高元件加工精准度的目的。