一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法与流程

本发明涉及非球面元件加工技术领域，且特别涉及一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法。

背景技术：

大口径非球面元件具有无中心遮拦、可改善像质且简化系统结构等优点，已成为空间相机、极紫外光刻机、超高功率激光装置等大型光学系统的关键元件。随着科技的发展，当前大型光学系统对元件的表面质量和制造效率均提出了远远超越于古典光学系统的要求。以美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(lawrencelivermorenationallaboratory，llnl)建立的高功率固体激光器—“国家点火装置”(nationalignitionfacility，nif)为例，整个装置的光学系统使用几百件大口径(米级)非球面元件。由于装置设计要求输出光束质量接近物理极限的强激光束，而系统的光束质量和输出能力在很大程度上取决于所用非球面元件的精度和负载能力。因此，该系统对非球面元件的精度指标和质量要求基本上接近于加工的极限，非球面元件的技术指标要求，如低频误差≤λ/3，中频误差psd-1：a≤1.01ν^-1.55，rms≤1.8nm，高频误差≤1.0nm。因此，如何在满足严格技术指标的前提下，稳定可控地生产出大型光学系统所需的大口径非球面元件成为所有大型光学系统建造国家所面临的基本挑战。

传统的大口径非球面元件加工方法为：首先通过铣磨成形、散粒研磨及抛光加工出最接近球面，再利用手工修抛或数控机床由球面加工出非球面。这种基于先抛光加工球面，再由球面加工到非球面的方式具有明显的加工局限性，比如非球面度(球面与非球面偏差)大的元件抛光去除的材料量大，极大影响加工效率；铣磨或研磨过程的缺陷深度较难实现稳定控制，影响后续缺陷去除的加工时间；抛光阶段确定性不足，面形收敛率低，加工周期长等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于控制非球面元件全频误差的加工方法，此方法可提高非球面加工效率，而且可控制全频段误差，有效地提高加工大口径非球面元件最终全频段精度。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法，其包括以下步骤：

磨削成型：采用超精密磨削方法进行非球面元件的直接成型，同时将亚表面缺陷控制在较低水平；

保形抛光：采用高稳定性、高去除效率的子口径抛光技术，实现非球面元件的快速保形抛亮，以去除亚表面缺陷；

修正抛光：采用高稳定性的子口径抛光技术快速修正非球面元件低频误差，使非球面元件低频指标达到光学系统使用要求；

匀滑抛光：采用匀滑抛光技术，在低频误差不被恶化的情况下，控制非球面元件中高频误差，使非球面元件中高指标达到光学系统使用要求。

本发明实施例的一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法的有益效果是：

提供的一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法，首先，将磨削得到的具有初始非球面形状精度的非球面元件进行保形抛光，以去除磨削缺陷层，并改善非球面元件表面粗糙度使其可直接进行干涉检测。采用平行磨削技术对非球面元件进行精密磨削加工，使得磨削后达到初始非球面形状精度。保形抛光可以快速去除磨削缺陷层，并改善元件的粗糙度使其可直接进行干涉检测。其次，对经过保形抛光的非球面元件进行去除低频段误差修正抛光和去除中高频段误差的匀滑抛光。修正抛光可以有效地修正低频误差。匀滑抛光可以快速去除中高频误差，直至最终技术要求。此方法可提高非球面加工效率，而且可控制全频段误差，有效地提高加工大口径非球面元件最终全频段精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明中设计的理想的非球面元件表面误差收敛过程；

图2是本发明的实施例提供的控制非球面元件全频段误差的工艺加工方法图；

图3是本发明的实施例提供控制非球面元件全频段误差的加工方法图；

图4a是本发明实施例提供的磨削加工后非球面面形图；

图4b是本发明实施例提供的气囊保形抛光后非球面透过波前图；

图4c是本发明实施例提供的第一次匀滑抛光后非球面透过波前图；

图4d是本发明实施例提供的气囊修正抛光后非球面透过波前图；

图4e是本发明实施例提供的第二次匀滑抛光后非球面透过波前图；

图4f是本发明实施例提供的第二次匀滑抛光后非球面中频误差分布图；

图5是本发明的实施例提供的第二次匀滑抛光后非球面中频psd曲线图；

图6a是本发明的实施例提供的磨削加工后非球面粗糙度图；

图6b是本发明的实施例提供的气囊保形抛光后非球面粗糙度图；

图6c是本发明的实施例提供的第二次匀滑抛光后非球面粗糙度图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法进行具体说明。

一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法，其包括以下步骤：

磨削成型：采用超精密磨削方法进行非球面元件的直接成型，同时将亚表面缺陷控制在较低水平；

保形抛光：采用高稳定性、高去除效率的子口径抛光技术，实现非球面元件的快速保形抛亮，以去除亚表面缺陷；

修正抛光：采用高稳定性的子口径抛光技术快速修正非球面元件低频误差，使非球面元件低频指标达到光学系统使用要求；

匀滑抛光：采用匀滑抛光技术，在低频误差不被恶化的情况下，控制非球面元件中高频误差，使非球面元件中高指标达到光学系统使用要求。

在本实施例中，采用高稳定性的子口径抛光技术快速修正非球面元件低频误差，使非球面元件低频指标达到光学系统使用要求。并且，采用平行磨削技术对非球面元件进行精密磨削加工，使得磨削后达到初始非球面形状精度。

在本实施例中，保形抛光采用高稳定性、高去除效率的子口径抛光技术，实现非球面元件的快速保形抛亮，以去除亚表面缺陷。并且，可以快速去除磨削缺陷层，并改善元件的粗糙度使其可直接进行干涉检测。

具体地，本发明的实施例选取的是口径为ф400mm的非球面元件。此尺寸的非球面元件属于大口径非球面元件。当然，在本发明的其他实施例中，非球面元件的口径大小可以根据需求进行选择，本发明不做限定。

具体地，具有初始非球面形状精度的非球面元件是采用平行磨削技术对非球面元件进行磨削加工，优选地，磨削加工的参数为：金刚石砂轮，砂轮转速1500～2000r/min，进给速度4500～6000mm/min，进刀量5～25μm。当然，在本发明的其他实施例中，磨削加工的参数可以根据具体需求进行调整，本发明不做限定。

其中，平行磨削技术是基于x/y/z三直线轴磨床，通过圆弧砂轮运行光栅式轨迹，砂轮的外圆轮廓面上不同接触点的轨迹在被加工工件上形成一个非球面包络面，完成整个非球曲面包络加工。

其中，对非球面元件进行磨削加工的过程中面形采用面形在位检测，优选采用非接触式面形检测系统进行检测，粗糙度采用泰勒轮廓仪检测。详细地，磨削完成后，采用非接触式面形检测系统在超精密磨削机床进行非球面面形在位检测，采用泰勒轮廓仪检测非球面表面粗糙度。

具体地，进行保形抛光是采用气囊抛光技术、离子束抛光技术或磁流变抛光技术对非球面元件进行保形抛光。

其中，采用气囊抛光技术对超精密磨削后的非球面元件快速保形抛亮，可以去除磨削表面的缺陷。气囊保形抛光参数为：气囊半径80mm，气囊下压量1mm，气囊内部压强0.1mpa，气囊转速1500rpm，气囊进给速度1500mm/min，光栅路径，路径间距2mm。当然，在本发明的其他实施例中，抛光参数还可以根据需求进行调整。并且，在气囊保形抛光完成后，采用球面动态干涉仪搭建的非球面自准式干涉检测系统进行非球面透过波前检测，以便于确定气囊抛光是否达到了非球面保形去除磨削缺陷层的工艺目的；采用zygo粗糙度仪检测非球面表面粗糙度，以便于确定气囊保形抛光是否改善了非球面表面光洁度，加工后元件是否可直接采用球面干涉仪进行透射波前检测。

在本实施例中，修正抛光是采用高稳定性的子口径抛光技术快速修正非球面元件低频误差，使非球面元件低频指标达到光学系统使用要求。修正抛光可以有效地修正低频误差。匀滑抛光是采用匀滑抛光技术，在低频误差不被恶化的情况下，控制非球面元件中高频误差，使非球面元件中高指标达到光学系统使用要求。匀滑抛光可以快速去除中高频误差，直至最终技术要求。此方法可提高非球面加工效率，而且可控制全频段误差，有效地提高加工大口径非球面元件最终全频段精度。

具体地，进行修正抛光是采用气囊抛光技术、离子束抛光技术或磁流变抛光技术对非球面元件进行修正抛光。

其中，采用气囊抛光技术可以快速修正非球面元件表面低频误差，气囊修正抛光参数为：气囊半径40mm、80mm，气囊下压量0.5～1mm，压强0.1mpa，气囊转速1000～1500rpm，光栅路径，路径间距1～2mm。当然，在本发明的其他实施例中，修正抛光的参数可以根据需求进行选择，本发明不做限定。并且，在气囊修正抛光完成后，采用球面动态干涉仪搭建的非球面自准式干涉检测系统进行非球面透过波前检测。

具体地，进行匀滑抛光是采用柔性沥青小工具抛光技术或环形气囊抛光技术来对非球面元件进行匀滑抛光。非球面经气囊修正抛光后元件低频指标达到要求，但是表面富含较多中高频误差。因此，采用柔性沥青匀滑抛光技术去除中高频误差，直到达到光学系统对中高频误差的要求。

其中，匀滑抛光包括在对非球面元件进行修正抛光之前对非球面元件进行第一次匀滑抛光，以及在对非球面元件进行修正抛光后对非球面元件进行第二次匀滑抛光，第一次匀滑抛光和第二次匀滑抛光的参数均为：沥青柔性抛光盘直径45～55mm、偏心4～6mm、自转18～22r/min、公转180～220r/min、压强0.05～0.12mpa，光栅路径、路径间距4～6mm；优选地，沥青柔性抛光盘直径50mm、偏心5mm、自转20r/min、公转200r/min、压强0.1mpa，光栅路径、路径间距5mm。当然，在本发明的其他实施例中，第一次匀滑抛光和第二次匀滑抛光的参数均可以根据需求进行选择，本发明不做限定。并且，匀滑抛光完成后，采用球面动态干涉仪搭建的非球面自准式干涉检测系统进行非球面透过波前检测，采用zygo粗糙度仪检测非球面表面粗糙度。

在本发明的实施例中，对非球面元件的修正抛光和匀滑抛光可交替进行，以使得非球面元件的全频段误差均达到指标要求。

参阅图1至图6，以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本实施例提供了一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法，其包括以下步骤：

首先，磨削成型是采用超精密磨削方法进行非球面元件的直接成型。

其中，采用平行磨削技术对非球面元件进行磨削加工。磨削加工的参数为：金刚石砂轮，砂轮转速1500r/min，进给速度4500mm/min，进刀量5μm。磨削完成后，采用非接触式面形检测系统在超精密磨削机床进行非球面面形在位检测，如图4a所示，检测结果为2303nm；采用泰勒轮廓仪检测非球面表面粗糙度，如图6a所示，检测结果为55nm。

其次，保形抛光是实现非球面元件的快速保形抛亮，以去除亚表面缺陷。保形抛光是采用气囊抛光技术，气囊保形抛光参数为：气囊半径80mm，气囊下压量1mm，气囊内部压强0.1mpa，气囊转速1500rpm，气囊进给速度1500mm/min，光栅路径，路径间距2mm。在气囊保形抛光完成后，采用球面动态干涉仪搭建的非球面自准式干涉检测系统进行非球面透过波前检测，如图4b所示，检测结果为透过波前pv为1022nm(换算至非球面面形pv约2044nm)；采用zygo粗糙度仪检测非球面表面粗糙度，如图6b所示，检测结果为3.74nm。

然后，修正抛光是采用高稳定性的子口径抛光技术快速修正非球面元件低频误差，使非球面元件低频指标达到光学系统使用要求。

其中，气囊修正抛光参数为：气囊半径40mm，气囊下压量0.5，压强0.1mpa，气囊转速1000rpm，光栅路径，路径间距1mm。在气囊修正抛光完成后，采用球面动态干涉仪搭建的非球面自准式干涉检测系统进行非球面透过波前检测，如图4d所示，检测结果透过波前pv为149nm。

再然后，匀滑抛光是在低频误差不被恶化的情况下，控制非球面元件中高频误差。匀滑抛光包括在对非球面元件进行修正抛光之前对非球面元件进行第一次匀滑抛光，以及在对非球面元件进行修正抛光后对非球面元件进行第二次匀滑抛光，优选地，第一次匀滑抛光和第二次匀滑抛光的参数均为：沥青柔性抛光盘直径50mm、偏心5mm、自转20r/min、公转200r/min、压强1mpa，光栅路径、路径间距5mm。

并且，第一次匀滑抛光完成后，采用球面动态干涉仪搭建的非球面自准式干涉检测系统进行非球面透过波前检测，如图4c所示，检测结果为透过波前pv为856nm。且如图4e所示，第二次匀滑抛光后透过波前pv为56.7nm，经计算，如图4f所示，最终非球面psd1频段内rms值为1.7nm。如图5所示，非球面中频psd曲线均在评价曲线之下，采用zygo粗糙度仪检测非球面表面粗糙度，如图6c所示，检测结果为0.69nm。

综上所述，参阅图1至图6，本发明实施例的一种用于控制非球面元件全频段误差的加工方法，使得实现了大口径非球面元件全频段误差控制，低频段、中频段、高频段误差分别为达到了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，而且可控制全频段误差，有效地提高加工大口径非球面元件最终全频段精度。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。