一种改善光学零件边缘面形的加工方法及复合磨粒抛光液

摘要

本发明属于超精密加工技术，涉及一种改善光学零件边缘面形的加工方法及复合磨粒抛光液。所述复合磨粒抛光液由粒径范围为1um～30um，弹性模量在1～10GPa的有机聚合物微粒、粒径范围为0.3um～3um的抛光粉和水配制而成，其中，分散有机聚合物微粒的质量分数范围为0.1%～5%，抛光粉的质量分数范围为0.1%～5%。本发明采用由聚苯乙烯（PS）微球表面吸附CeO

说明书

技术领域

本发明属于超精密加工技术，涉及一种改善光学零件边缘面形的加工方 法及复合磨粒抛光液。

背景技术

随着科学技术的不断发展，对光学零件的精度要求也在不断提高，光学 镜片的面形要求达到PV值为λ/20（λ=632.8nm），表面粗糙度要求达到 Ra1nm。双面抛光技术是一种广泛应用于光学零件的高效率高精度的超精密 加工技术，采用双面抛光技术对光学零件进行加工，上下抛光盘上粘有聚 氨酯抛光垫，聚氨酯抛光垫容纳含有磨粒（如CeO₂、SiO₂等）的抛光液，对 光学零件表面进行机械划擦、化学反应，达到提高光学零件面形和粗糙度 的目的。在实际的生产中，双面抛光技术虽然能够获得较好的表面粗糙度、 平行度和材料去除速率，但在双面抛光时，光学零件表面压强呈U型分布 即边缘压强较大、另外抛光液在零件边缘聚集、造成边缘抛光液浓度高、 边缘材料去除率大，导致在光学零件边缘容易发生塌边现象（如图1所示）， 严重影响光学零件的面形精度。因此双面抛光技术应用受到了限制。

发明内容

本发明的目的：提供一种能够减小光学零件边缘塌边，改善双面抛光光 学零件边缘面形的加工方法。

另外，还提供一种复合磨粒抛光液。

本发明的技术方案：一种复合磨粒抛光液，其由粒径范围为1um～60um， 弹性模量在1～10GPa的有机聚合物微粒、粒径范围为0.3um～3um的抛光粉 和水配制而成，其中，分散有机聚合物微粒的质量分数范围为0.1%～5%， 抛光粉的质量分数范围为0.1%～5%。

单分散有机聚合物微粒呈球状。

分散有机聚合物微粒为聚苯乙烯。

复合磨粒抛光液的分散有机聚合物微粒与磨粒形成静电吸附。

复合磨粒抛光液的经PH值调节后带弱碱性。

一种改善光学零件边缘面形的加工方法，采用复合磨粒抛光液在双面 抛光机上对光学零件进行抛光试验，从而在不降低光学零件表面粗糙度的 情况下，减小光学零件边缘塌边，改善光学零件边缘局部面形。

所述改善光学零件边缘面形的加工方法，其具体过程如下：

第一步:配制复合磨粒抛光液

选用单分散大粒径PS微球，粒径范围为1um～60um，PS微球呈球状；CeO₂抛光粉，CeO₂磨粒呈不规则多面体，粒径范围为0.3um～3um；去离子水，取 PS微球和CeO₂抛光粉，加入超纯水混合摇匀，配成具有特定质量浓度比的 复合磨粒抛光液，PS微球质量分数范围为0.1%～5%，CeO₂磨粒的质量分数 范围为0.1%～5%；

第二步：复合磨粒抛光液PH值的调定

PS微球表面经过电荷修饰，以与CeO₂形成静电吸附，采用PH=10的KOH 溶液对复合磨粒抛光液的PH进行调节，调节后的抛光液PH范围为8～11， 使得PS微球能够实现对CeO₂稳定吸附；

第三步：复合磨粒抛光液的测定

取复合磨粒抛光液滴于玻璃基片上，将均匀涂满抛光液的玻璃基片置于 百级超净室内，干燥后放置在激光共聚焦显微镜下，观察PS微球和CeO₂在静电力作用下的吸附情况，以CeO₂磨粒能够完全包裹PS微球为最佳，并 且形成的复合磨粒分散均匀，无明显团聚现象为最佳；

第四步：抛光前的预处理

工作环境温度25℃，湿度70%，选用W7～W14的研磨粉精磨后的光学零 件，表面粗糙度范围3～10um，尺寸一致性2um以内，光学零件清洗干净； 贴有聚氨酯抛光垫的抛光盘使用金刚石盘和不锈钢盘进行修整，保证抛光 盘的面形；制备的复合磨粒抛光液经超声处理0.5h～1h；

第五步：抛光

将游星轮均匀放置于下抛光盘中，预处理后的光学零件均匀放入游星轮 中，先滴加复合磨粒抛光液使上下抛光垫润湿，再将上抛光盘降下，

在抛光初始阶段，工艺参数：下抛光盘转速4～10r/min，上抛光盘转速 -1～-3r/min，游星轮自传转速2～5r/min，游星轮公转转速2～5r/min， 抛光液流量10～50mL/min，压强范围3～5KPa，抛光时间3～5min，低转速低 压下让抛光液能够充分填充进聚氨酯抛光垫和光学零件之间的间隙，充分 润滑，避免干摩擦产生划伤；

在抛光中间阶段，工艺参数：下抛光盘转速6～30r/min，上抛光盘转速 -2～-6r/min，游星轮自传转速2～11r/min，游星轮公转转速2～11r/min， 抛光液流量10～50mL/min，压强范围3～20KPa，抛光时间1～10h，复合磨粒 嵌入聚氨酯抛光垫，在抛光盘的带动下，对光学表面进行机械化学作用的 材料去除；

在抛光末尾阶段，工艺参数：下抛光盘转速4～10r/min，上抛光盘转速 -1～-3r/min，游星轮自传转速2～5r/min，游星轮公转转速2～5r/min， 去离子水流量10～50mL/min，压强范围3～5KPa，抛光时间3～5min，采用清 水洗净光学零件，同时缓慢减压，释放光学零件因抛光产生的残余应力；

第六步：抛光后光学零件的清洗，将抛光后的光学零件放入超声波清洗 机中进行清洗，去除表面残留的抛光粉；

第七步：抛光后光学零件的检测，如不符合要求，则重复步骤五进一步 抛光，直至面形等各项指标满足工件设计要求。

本发明的优点和有益效果是：PS微球的制造成本低廉，加入PS（聚苯 乙烯）微球的复合磨粒抛光液能够在不改变现有工艺条件的情况下，获得 表面粗糙度和表面面形均满足需求的光学零件，具有方法简便、实用性强 的优点；面形要求达到PV值能从λ/5降到λ/20（即从125nm降到20nm以 下），此外复合磨粒抛光液在减少光学零件表面划伤中也有良好的应用前 景。

附图说明

图1是双面抛光技术加工光学零件所获的的塌边面形；

图2是在实例中的工艺参数下加工获得的光学零件面形；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明采用由聚苯乙烯（PS）微球表面吸附CeO₂磨粒形成的复合磨粒 抛光液替代单一CeO₂磨粒抛光液，在双面抛光机床上采用特定的工艺参数 对光学零件表面进行抛光，达到改善光学零件边缘面形的目的。复合磨粒 抛光液能够改善光学零件的边缘面形，其原理是，PS微球表面吸附CeO₂ 磨粒形成的复合磨粒在聚氨酯抛光垫和光学零件之间形成一层衬垫，改善 了零件表面的压强分布，尤其是降低了零件边缘的压强，从而使光学零件 表面的材料去除更加均匀，光学零件的边缘面形得到改善；此外，复合磨 粒在聚氨酯抛光垫和光学零件之间形成较大的间隙，便于抛光液的流动， 避免了抛光液在零件边缘的堆积，改善了零件的边缘面形。

本发明改善光学零件边缘面形的加工方法的具体过程如下：

第一步:配制复合磨粒抛光液

选用单分散大粒径PS（聚苯乙烯）微球，粒径范围为1um～60um，PS微 球呈球状；CeO₂（氧化铈）抛光粉，CeO₂磨粒呈不规则多面体，粒径范围为 0.3um～3um；去离子水，取PS微球和CeO₂抛光粉，加入超纯水混合摇匀， 配成具有特定质量浓度比的复合磨粒抛光液，PS微球质量分数范围为 0.1%～5%，CeO₂磨粒的质量分数范围为0.1%～5%。

第二步：复合磨粒抛光液PH值的调定

PS微球表面经过电荷修饰，以与CeO₂形成静电吸附，采用PH=10的KOH 溶液对复合磨粒抛光液的PH进行调节，调节后的抛光液PH范围为8～11， 使得PS微球能够实现对CeO₂稳定吸附；

第三步：复合磨粒抛光液的测定

取2mL复合磨粒抛光液滴于玻璃基片上，将均匀涂满抛光液的玻璃基片 置于百级超净室内，干燥后放置在激光共聚焦显微镜下，观察PS微球和CeO₂在静电力作用下的吸附情况，以CeO₂磨粒能够完全包裹PS微球为最佳，并 且形成的复合磨粒分散均匀，无明显团聚现象为最佳；

第四步：抛光前的预处理

工作环境温度25℃，湿度70%，选用W7～W14的研磨粉精磨后的光学零 件，表面粗糙度范围3～10um，尺寸一致性2um以内，光学零件清洗干净； 贴有聚氨酯抛光垫的抛光盘使用金刚石盘和不锈钢盘进行修整，保证抛光 盘的面形；制备的复合磨粒抛光液经超声处理0.5h～1h；

第五步：抛光

将游星轮均匀放置于下抛光盘中，预处理后的光学零件均匀放入游星轮 中，先滴加复合磨粒抛光液使上下抛光垫润湿，再将上抛光盘降下，

在抛光初始阶段，工艺参数：下抛光盘转速4～10r/min，上抛光盘转速 -1～-3r/min，游星轮自传转速2～5r/min，游星轮公转转速2～5r/min， 抛光液流量10～50mL/min，压强范围3～5KPa，抛光时间3～5min，低转速低 压下让抛光液能够充分填充进聚氨酯抛光垫和光学零件之间的间隙，充分 润滑，避免干摩擦产生划伤；

在抛光中间阶段，工艺参数：下抛光盘转速6～30r/min，上抛光盘转速-2～-6 r/min，游星轮自传转速2～11r/min，游星轮公转转速2～11r/min，抛 光液流量10～50mL/min，压强范围3～20KPa，抛光时间1～10h，复合磨粒嵌 入聚氨酯抛光垫，在抛光盘的带动下，对光学表面进行机械化学作用的材 料去除，该阶段是抛光的主要阶段；

在抛光末尾阶段，工艺参数：下抛光盘转速4～10r/min，上抛光盘转速 -1～-3r/min，游星轮自传转速2～5r/min，游星轮公转转速2～5r/min， 去离子水流量10～50mL/min，压强范围3～5KPa，抛光时间3～5min，目的是 采用清水洗净光学零件，同时缓慢减压，释放光学零件因抛光产生的残余 应力。

第六步：抛光后光学零件的清洗，将抛光后的光学零件放入超声波清洗 机中进行清洗，去除表面残留的抛光粉。

第七步：抛光后光学零件的检测，使用Zygo激光平面干涉仪和白光干 涉仪对光学零件表面进行检测，验证是否达到工件设计要求。必要时可以 重复步骤五进一步抛光，直至面形等各项指标满足工件设计要求。

实例：

以直径为30mm，厚度为6mm的基片为加工对象，要求抛光后基片表面 粗糙度Ra<1nm，面形λ/20。

第一步：取粒径为20um的PS微球10.2g，PS微球表面经电荷修饰呈 正电势；粒径为1um的CeO2抛光粉10.2g；去离子水1000g，混合后搅拌 均匀，超声30min。

第二步；用PH=10的KOH溶液对制备的复合磨粒抛光液进行PH值调节， 使用PH试纸测量复合磨粒抛光液的PH值，调节至PH=8。

第三步：用激光共聚焦显微镜观察抛光液中PS微球和CeO₂磨粒的吸附 情况，放大倍数为3000倍数，PS微球和CeO₂磨粒的质量浓度比为1:1时， PS微球表面已经完全被CeO₂磨粒包裹，并且吸附有CeO₂磨粒的PS微球之 间能够很好的分散开，没有出现明显的团聚。

第四步：用W7研磨粉基片进行精研，表面粗糙度Ra<6um。光学零件清洗干 净；对贴有聚氨酯抛光垫的抛光盘使用金刚石盘和不锈钢盘进行修整；制 备的复合磨粒抛光液经超声处理0.5h～1h；

第五步：在SPEEDFAM双面抛光机床进行抛光试验。抛光垫聚氨酯材料， 游星轮为Teflon材料。初始阶段的抛光参数：下抛光盘转速5r/min，上 抛光盘转速-2r/min，游星轮自传转速3r/min，游星轮公转转速3r/min， 抛光液流量30mL/min，压强4KPa，抛光时间3min；中间阶段的抛光参数： 下抛光盘转速12r/min，上抛光盘转速-4r/min，游星轮自传转速6 r/min，游星轮公转转速5r/min，抛光液流量20mL/min，压强10KPa，抛 光时间6h；末尾阶段的抛光参数：下抛光盘转速5r/min，上抛光盘转速-2 r/min，游星轮自传转速3r/min，游星轮公转转速3r/min，去离子水 流量50mL/min，压强3KPa，抛光时间3min；

第六步：将抛光后的零件经过超声清洗，去除表面残留抛光粉。

第七步：从中抽3件零件，使用Zygo激光平面干涉仪测量光学零件的 面形，结果如图2所示，面形PV达到了20nm（即λ/20）的要求，边缘无 塌边。同时表面粗糙度Ra实际达到0.8nm，能够满足产品工艺要求。