超薄光學元件的精密性加工分析

郝玉良

（閩南理工學院，福建 石獅 362700）

0 引言

超博光學加工過程會受到重力與磨頭產生應力而產生形態，因此，必須要研究一種能夠避免這個問題的加工方法。光學元件的超薄設計是實現其輕質化的關鍵，并且平板型超薄光學元件已經成了未來應用、加工的一個趨勢，現階段，國內外在這個方面的研究已經獲得了一定成就，本文主要是對精密銑磨、精密拋光以及離子束修形等技術進行討論。

1 形變誤差補償的精密銑磨技術

由于超薄光學元件加工中容易出現形變，因此，在研究相關技術的過程中，就將預防形變作為最根本的基礎和參考，精密銑磨技術可以對形變誤差進行補償，從而達到加工標準與要求，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元件制作的硬度要求[1]，但是，由于光學元件上盤、下盤可能會出現不同程度的形變，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構，并且要嚴格按照規范和要求進行，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部氣體的主要渠道，之后根據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將橡膠密封圈放置其中；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，使其能夠達到穩固要求；第三個步驟，就是要充分發揮銑磨機的修整優勢，充分打磨光學元件，打磨元件要使其最大限度實現表面的平滑工整，一般要達到μm級別，達到如上標準才可以滿足光學元件鍥角。

1.2 超薄光學軟件形變誤差補償法

除了上述加工方法之外，超薄光學軟件形變誤差補償法也是一種有效防止元件形變的方法。超薄光學元件在抗形變方面很差，而導致這些元件發生改變的主要原因就是裝卡以及磨削磨輪的過程中會產生壓力過大的現象。過去的銑磨方式砸控制表面面形方面很難達到理想狀態，因此，采用ANSYS元件仿真模擬對光學元件受裝卡影響所出現的情況，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，人們可以發現，在不同的環帶上，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，結合手里分布以及形變的情況，就能夠對光學元件未來的變化進行預測，從而獲得誤差補償的方法[3]。

技術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，就可以發現，元件加工結果與仿真結果是相反的，而出現這個結果的原因就是元件下盤之后，獲得了釋放與回彈。這個時候將實際加工的面形結果以及仿真結果進行對比，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度，使其能夠更好地符合實際需求以及生產標準。

2 多工藝迭代精密拋光技術

2.1 以氣囊磨頭為基礎的精密拋光技術

拋光是光學元件加工過程中非常重要的一個環節，拋光的目的是保障光學元件表面光滑，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進行研究分析的。數控氣囊拋光技術采用CCOS原理，能夠達到一定的精密度，不僅可以控制多種影響因素，而且還能夠提升精準度，結合往年的研究經驗，人們發現銑磨啞光表面所產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，同時要將光學元件測量的實際結果作為基礎，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，將某個光學表面作為鍥角修正的依據，對另外一個表面與其形成的傾斜角進行測量，拋光的過程中根據實際需求，選擇相應的設備，目前市面的設備有很多，選擇時一定要選擇大品牌，口碑好的產品，這樣才能夠更好保障拋光效果。

2.2 以瀝青磨頭為基礎的光學平滑技術

上述研究的拋光技術會受到一定因素的影響，容易出現邊緣效應，這樣就會導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，其優勢是可以有效控制氣囊所帶來的誤差。而采用當前的光學平滑技術，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

超光表面加工技術已經相對完善，應用比較廣泛、效果好的技術主要有浮法拋光、彈性發射加工以及磁流變拋光等，這些拋光技術的拋光效果好，得到了業界的一致認可。復發拋光最早是日本研究者提出的，這項拋光技術能夠使元件表面粗糙度低于0.1nmrms，運用這項技術不僅表面能夠達到超級光滑的程度，而且表面損傷低，殘余應力小。隨著基礎的發展，越來越多的超光滑表面加工技術被研發出來，磁流變拋光是由俄羅斯學者提出的，經過研發這項技術對表面進行拋光，能夠使表面粗糙度低于0.5nmrms。

國內超光滑拋光技術與國際水平相比，還存在一定差距，目前所使用技術主要是對傳統拋光方法的改進，在加工精度以及穩定性方面還有待提高。而隨著超薄光學元件的出現，超光滑拋光技術也在不斷完善，新型微射流超光滑表面技工技術應運而生，這項拋光技術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，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，拋光液運動會產生一定的動壓力，在磨頭抬起時會產生一定的距離，微細磨料顆粒在磨頭旋轉的帶動下，會對元件表面進行不斷沖刷，但是這個沖刷不會導致元件表面發生塑性形變。

3 光學元件的高精度離子束修形

在超薄光學元件精度加工中高精度離子束修形可以在真空環境中，借助離子源發射的離子束，對光學元件表面進行拋光，最終提高元件表面光滑度。這種高精度離子束修形的技術，能夠大大提高元件加工的效率和質量，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，徹底從光學表面脫離出來，最終元件表面會越發光滑。

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

前面的環節中加工超薄光學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，將靶距控制135mm，無光闌則是采用30mm的柵網，靶距則要控制在25mm，這些數據要嚴格按照要求和標準核實，否則就會降低加工的精準度，只有嚴格按照標準以及規定進行才能夠使元件生產加工符合要求。

離子加工束是在20世紀70年代被研發出來的，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，從而達到除去表面材料的目的。采用這項技術進行元件加工，能夠使其表面達到一個很好的修整效果。

4 結束語

目前，高精度光學元件加工技術已經得到了很大進步，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種類進行了分析，在實際生產加工中唯有充分了解其原理，并從實際出發，選擇合適的加工技術才能夠達到提高元件加工精準度的目的。