加工方法及非球面光学元件与流程

本申请涉及光学加工技术领域，具体而言，涉及一种加工方法及非球面光学元件。

背景技术

与传统球面光学元件相比，非球面光学元件具有提高系统的相对口径比、扩大视场角、减轻系统构成和重量、消除球差、消除慧差、消除像散等优势，此外还可以简化光路涉及，提高光学系统的光学特性和稳定性，减小光学系统成本，因此在光学领域有着非常广泛的应用。在相关技术中，非球面光学元件的加工是通过砂轮的铣磨加工来实现的，具体是首先在球面铣磨机上加工出一个与非球面轮廓最接近的球面，然后采用非球面数控铣磨机床完成非球面元件的粗磨和精密铣磨成型。

在非球面光学元件铣磨成型的过程中，磨削机床的主轴运动偏差、磨削砂轮直径以及砂轮振动所导致的元件与磨削砂轮之间的弹性变形等因素，均会影响待加工元件表面的磨削纹理和面形精度，其中，磨削机床的精度及刚度直接影响着非球面元件的面形精度。

经研究发现，通过普通磨削机床加工的非球面光学元件的面形精度pv值约在10μm(微米)以上，同时在传统磨削过程中不可避免地产生亚表面损伤。在非球面元件磨削成型之后还需进行抛光加工，其中，在初抛光过程中需要将非球面光学元件的面形精度由数十微米提高到微米量级的同时去除亚表面损伤，由于抛光加工去除速率相对较小，在抛光阶段修正面形和去除亚表面损伤是一项非常费时且不可预测的过程，导致非球面光学元件的加工周期和成本不可控制。

虽然通过超高精度的磨削机床加工的非球面光学元件的面形精度pv值可以达到5μm以下，但超高精度的磨削机床价格昂贵，大大增加了非球面光学元件高精度成型加工的成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供一种加工方法及非球面光学元件，用于实现高精度的非球面光学件的快速成型，可以避免由于传统磨削机床的系统精度和刚度不佳导致加工得到的非球面光学元件的面形精度和亚表面损伤问题。

为了达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种加工方法，用于通过等离子体加工装置加工非球面光学元件，所述等离子体加工装置包括气体输送装置和等离子体放电舱，所述方法包括：

通过所述气体输送装置将获取到的等离子体气体和反应气体分别输送到所述等离子体放电舱中；

在所述等离子体放电舱中对所述等离子体气体和所述反应气体处理，使所述等离子体气体电离产生与待加工的非球面光学元件间隔预设距离的等离子体射流，并通过所述等离子体射流对所述待加工的非球面光学元件进行加工。

可选地，所述等离子体放电舱包括中间层石英炬管和内层石英炬管；

通过所述气体输送装置将获取到的等离子体气体和反应气体分别输送到所述等离子体放电舱中，包括：

控制所述气体输送装置以1-2l/min的流量向所述等离子体放电舱的中间层石英炬管输送等离子体气体；

控制所述气体输送装置以30-200ml/min的流量向所述等离子体放电舱的内层石英炬管输送反应气体。

可选地，所述方法还包括：

通过所述气体输送装置将获取到的冷却气体输送到所述等离子体放电舱中，以对所述等离子体放电舱进行冷却。

可选地，所述方法还包括：所述等离子体放电舱包括外层石英炬管；通过所述气体输送装置将获取到的冷却气体输送到所述等离子体放电舱中，包括：

控制所述气体输送装置以14-20l/min的流量向所述等离子体放电舱的外层石英炬管输送冷却气体。

可选地，所述方法还包括：

通过所述气体输送装置将获取到辅助气体输送到所述等离子体放电舱中，以加快所述等离子体放电舱中的等离子体气体的化学反应的去除速率。

可选地，通过所述气体输送装置将获取到辅助气体输送到所述等离子体放电舱中，包括：

控制所述气体输送装置以5-40ml/min的流量向所述等离子体放电舱的内层石英炬管输送辅助气体。

可选地，所述等离子体加工装置还包括射频电源、功率适配器及设置于所述等离子体放电舱中的电感线圈，所述射频电源通过所述功率适配器与所述电感线圈电性连接；

在所述等离子体放电舱中对所述等离子体气体和所述反应气体处理，包括：

开启所述射频电源，使所述电感线圈在所述等离子体放电舱中产生用于电离所述等离子体气体的电场。

可选地，所述等离子体加工装置还包括五轴数控机床，该五轴数控机床包括与所述等离子体放电舱连通的密封加工舱以及设置于所述密封加工舱中的运动工作台，所述方法还包括：

通过所述运动工作台承载所述待加工的非球面光学元件；控制所述运动工作台改变所述等离子体射流在所述待加工的非球面光学元件的表面的驻留时长。

可选地，所述方法还包括：

将所述密封加工舱中的尾气排放至尾气处理系统，并通过所述尾气处理系统对该尾气进行处理。

第二方面，本申请实施例还提供一种非球面光学元件，所述非球面光学元件通过本申请实施例提供的加工方法加工获得。

相对于现有技术而言，本申请实施例具有以下有益效果：

本申请实施例提供的一种加工方法及非球面光学元件，用于实现对非球面光学元件的高精度快速加工，能够避免传统磨削机床带来的亚表面损伤问题，利用非接触式等离子体射流的高化学反应去除特性确保在加工过程中无亚表面损伤引入，节省了后续去除亚表面损伤的工序及时间。

进一步地，通过小工具数控，提高了非球面光学元件的面形精度，极大地减少了后续抛光的材料去除量以及减少了后续抛光的加工对面形精度的修正时间，能够缩短非球面光学元件的加工周期和降低加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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为本申请实施例提供的一种等离子体加工装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种加工方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的又一种等离子体加工装置的结构示意图；

图4为图2所示步骤s21的子步骤示意图；

图5为本申请实施例提供的加工方法的又一流程示意图。

图标：100-等离子体加工装置；110-气体输送装置；115-质量流量控制器；111-第一管路；112-第二管路；113-第三管路；114-第四管路；120-等离子体放电舱；121-内层石英炬管；122-中间层石英炬管；123-外层石英炬管；1211、1221、1231-进气口；131-第一气体提供装置；132-第二气体提供装置；133-第三气体提供装置；134-第四气体提供装置；140-射频电源；150-功率匹配器；160-电感线圈；171-密封加工舱；1711-尾气排放口；172-运动工作台；173-夹盘；174-控制系统；180-尾气处理系统；200-待加工的非球面光学元件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，是本申请实施例提供的一种等离子体加工装置100的方框示意图。所述等离子体加工装置100包括第一气体提供装置131、第二气体提供装置132、气体输送装置110和等离子体放电舱120。

其中，所述第一气体提供装置131和所述第二气体提供装置132分别通过所述气体输送装置110和所述等离子体体放电舱120连通，所述第一气体提供装置131用于提供等离子体气体，所述第二气体提供装置132用于提供反应气体。

如图2所示，是本申请实施例提供的一种加工方法的流程示意图，该加工方法用于通过图1所示的等离子加工装置100对非球面光学元件进行加工，其中，所述非球面光学元件的材料恶意是熔石英、超低膨胀玻璃、微晶玻璃、碳化硅或硅。下面对该方法的步骤进行描述。

步骤s21，通过所述气体输送装置110将获取到的等离子体气体和反应气体分别输送到所述等离子体放电舱120中。

在本实施例中，所述等离子体气体和所述反应气体沿不同输送路径进入所述等离子体放电舱120的不同位置。如图3所示，等离子体放电舱120可以包括中间层石英炬管122和内层石英炬管121。在此情况下，步骤s21可以包括如图4所示的子步骤。

步骤s41，控制所述气体输送装置110以1-2l/min的流量向所述等离子体放电舱的中间层石英炬管122输送等离子体气体。

步骤s42，控制所述气体输送装置110以30-200ml/min的流量向所述等离子体放电舱120的内层石英炬管121输送反应气体。

在本实施例中，上述步骤s41和步骤s42可以通过图3中示出的质量流量控制器115实现。

步骤s22，在所述等离子体放电舱120中对所述等离子体气体和所述反应气体处理，使所述等离子体气体电离产生与待加工的非球面光学元件间隔预设距离的等离子体射流，并通过所述等离子体射流对所述待加工的非球面光学元件进行加工。

在实施时，通过给所述等离子体气体和所述反应气体施加电场，使其发生相互作用，从而使所述等离子体气体发生电离，得到等离子体射流。

其中，所述等离子体射流距离所述待加工的非球面光学元件预设距离，所述预设距离可以根据需求进行设定，例如可以为10-40mm(毫米)。

请再次参阅图1，在本实施例中，所述等离子体加工装置100还可以包括射频电源140、功率匹配器150以及电感线圈160。其中，所述电感线圈160设置于所述等离子体放电舱120中，所述射频电源140通过所述功率匹配器150与所述电感线圈160电性连接。可选地，所述射频电源140的功率可以为100w(瓦特)-1800w。

在此情况下，步骤s22可以包括如下子步骤：

开启所述射频电源，使所述电感线圈在所述等离子体放电舱中产生用于电离所述等离子体气体的电场。

请再次参照图2，本实施例提供的加工方法还可以包括步骤s23。

步骤s23，通过所述气体输送装置将获取到的冷却气体输送到所述等离子体放电舱中，以对所述等离子体放电舱进行冷却。

请返回参阅图1，在本实施例中，所述等离子体加工装置100还可以包括第三气体提供装置133，所述第三气体提供装置133用于提供冷却气体。所述第三气体提供装置133通过所述气体输送装置110与所述等离子体放电舱120连通，在实施时，可以从第三气体提供装置133获取冷却气体，并将获取到的冷却气体输送到所述等离子体放电舱120中，从而对等离子体放电舱120进行冷却。在实际应用中，等离子体放电舱120中的等离子体射流温度较高，所述冷却气体可以在等离子体射流和等离子体放电舱120的内壁之间起隔离保护作用。

可选地，在本实施例中，所述等离子体加工装置100还可以包括冷却循环装置，从而可以达到更好的冷却效果。

详细地，请再次参阅图3，等离子体放电舱120还可以包括外层石英炬管123，在此情况下，步骤s23可以通过如下子步骤实现：

控制所述气体输送装置110以14-20l/min的流量向所述等离子体放电舱120的外层石英炬管123输送冷却气体。

在本实施例中，上述子步骤可以通过质量流量控制器115实现。

请再次参照图2，本实施例提供的加工方法还可以包括步骤s24。

步骤s24，通过所述气体输送装置将获取到辅助气体输送到所述等离子体放电舱中，以加快所述等离子体放电舱中的等离子体气体的化学反应的去除速率。

可选地，请再次参阅图1，所述等离子体加工装置100还可以包括用于提供辅助气体的第四气体提供装置134，所述第四气体提供装置134可以通过所述气体输送装置110与所述等离子体放电舱120连通。在实施时，可以从所述第四气体提供装置134获取辅助气体，并将获取到的辅助气体输送到所述等离子体放电舱120中，使用时辅助气体与反应气体混合，用于促进等离子体化学反应去除速率，在一定程度上提高去除速率。可选地，辅助气体可以采用氧气等，本实施例对此不做限制。

详细地，步骤s24可以通过如下子步骤实现：

控制所述气体输送装置110以5-40ml/min的流量向所述等离子体放电舱120的内层石英炬管121输送辅助气体。

在本实施例中，上述子步骤可以通过质量流量控制器115实现。

在此值得说明的是，在图2示出的等离子体加工装置100中，所述气体输送装置110还可以包括第一管路111、第二管路112、第三管路113以及第四管路114，其中，所述第一管路111与所述第一气体提供装置131和所述中间层石英炬管122的进气口1221连通，所述等离子体气体可以沿所述第一管路1211抵达所述等离子体放电舱120；所述第二管路112与所述第二气体提供装置132和所述内层石英炬管121的进气口1211连通，所述反应气体可以沿所述第二管路112抵达所述等离子体放电舱120；所述第三管路113与所述第三气体提供装置133和所述外层石英炬管123的进气口1231连通，所述冷却气体可以沿所述第三管路113抵达所述等离子体放电舱120；所述第四管路114与所述第四气体提供装置134和所述进气口1211连通，所述辅助气体可以沿所述第四管路114抵达所述等离子体放电舱120。

所述质量流量控制器115设置于所述第一管路111、第二管路112、第三管路113及第四管路114的对应位置处，用于对所述第一管路111、第二管路112、第三管路113及第四管路114允许通过的流量大小进行控制。

可选地，所述等离子体加工装置100还可以包括五轴数控机床，所述五轴数控机床可以包括与所述等离子体放电舱120连通的密封加工舱171、设置于所述密封加工舱171中的运动工作台172、设置于所述运动工作台172上的夹盘173以及控制所述运动工作台172的控制系统174。所述夹盘173用于承载所述待加工的非球面光学元件200，使得所述等离子体放电舱120中电离产生的等离子体射流能够对所述待加工的非球面光学元件200的表面进行处理。比如图4所示，所述五轴数控机床设置于所述等离子体放电舱120的下方，对应地，等离子体射流300即可对所述待加工的光学元件200的表面进行处理。所述控制系统174用于控制所述运动工作台172。

在上述情况下，如图5所示，本申请实施例提供的加工方法还可以包括如下步骤：

步骤s51，通过所述运动工作台172承载所述待加工的非球面光学元件。

步骤s52，控制所述运动工作台172改变所述等离子体射流在所述待加工的非球面光学元件的表面的驻留时长。

在本实施例中，步骤s52可以由控制系统174实现。

通过上述基于小工具的数控设计，可以提高加工得到的非球面光学元件200的面形精度，从而极大地减少后续通过抛光加工修正面形精度的时长，有助于缩短非球面光学元件的加工周期、降低非球面光学元件的加工成本。

可选地，在本实施例中，所述密封加工舱171的一侧壁可以开设有尾气排放口1711，所述等离子体加工装置100还可以包括尾气处理系统180，所述尾气处理系统180与所述尾气排放口1711连通，用于对所述尾气排放口1711排出的尾气进行净化处理。

在此情况下，本申请实施例提供的加工方法还可以包括如下步骤：

将所述密封加工舱171中的尾气排放至尾气处理系统180，并通过所述尾气处理系统180对该尾气进行处理。

在此值得说明的是，本实施例中提供的加工方法所包括的各个步骤没有严格的执行顺序，可以是按照图2和图5中示出的顺序执行，也可以并行执行。

本申请实施例还提供一种非球面光学元件，该非球面光学元件可以通过本申请实施例提供的加工方法加工获得。

综上所述，本申请实施例提供一种加工方法及非球面光学元件，用于实现对非球面光学元件的高精度快速加工，能够避免传统磨削机床带来的亚表面损伤问题，利用非接触式等离子体射流的高化学反应去除特性确保在加工过程中无亚表面损伤引入，节省了后续去除亚表面损伤的工序及时间。

进一步地，通过与小工具数控设计，提高了非球面光学元件的面形精度，极大地减少了后续抛光的材料去除量以及减少了后续抛光的加工对面形精度的修正时间，能够缩短非球面光学元件的加工周期和降低加工成本。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。