光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制方法及其装置

摘要

本发明提供一种大口径薄板光学元件磨削加工面形误差和平行度误差控制控制方法及其装置。光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制方法，该方法包括以下步骤：1)磨削真空吸盘；2)磨削元件；3)面形误差控制；4)平行度误差控制。本发明基于真空吸附的装夹方法，提高薄板元件表面每一点的支承刚度，减少加工过程中让刀变形，并且结合面形误差在位测量技术和补偿磨削技术，实现了薄板元件面形误差和平行度误差的确定性与稳定性收敛，实现了面形误差和平行度误差的高效稳定控制。

说明书

技术领域

本发明属于光学元件冷加工领域，特别涉及一种大口径薄板光学元件超精密磨削加工过程中元件面形误差和平行度误差高效精密控制的方法及其装置。

背景技术

大口径薄板光学元件在高功率激光装置中主要用于片放窗口、连续位相板等元件，高功率激光装置对其面形精度、平行度、透射波前畸变、粗糙度等提出了较高的要求。磨削加工是该类元件光学冷加工的前级成形工序，其加工精度直接影响后续抛光加工的效率与质量，当其平行度较差时，抛亮后采用干涉仪检测透射波前过程中的寄生条纹也会对最终结果引入较大的测量误差。

对于大口径薄板类元件，采用传统的机械装夹方式固定于磨床磁台上后，由于磁台表面、元件表面均存在一定的平面度误差，导致元件下表面与磁台表面之间存在一定的空气间隙；由于薄板类元件抗弯刚度较弱，在磨削元件过程中，元件受法向磨削力而产生较大的让刀变形，通过理论计算该让刀变形最大达到数十微米，已经远大于激光装置对该类元件的精度要求。此外，由于元件下表面与磁台表面之间的空气间隙分布具有随机性，因此在磨削加工过程中对面形误差和平行度误差的控制具有不确定性，需要多次采用互为基准的装夹方式进行迭代加工，其最终的控制精度及精度收敛效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大口径薄板光学元件磨削加工面形误差和平行度误差控制控制方法及其装置。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制方法，该方法包括以下步骤：

1)磨削真空吸盘：按照平面磨削轨迹磨削真空吸盘表面；

2)磨削元件：将大口径薄板光学元件放置于真空吸盘表面吸附孔区域，按照平面磨削轨迹磨削大口径薄板光学元件上表面；

3)面形误差控制：真空吸附大口径薄板光学元件，以大口径薄板光学元件下表面和真空吸盘表面之间空气间隙层的误差分布F进行补偿磨削加工，待大口径薄板光学元件磨全后，在位测量大口径薄板光学元件上表面的面形，完成面形误差控制；

4)平行度误差控制：以大口径薄板光学元件上表面朝下真空吸附装夹于真空吸盘表面，以真空吸盘的面形误差进行补偿加工大口径薄板光学元件下表面，待大口径薄板光学元件磨全后，测量大口径薄板光学元件不同点位的厚度，得到大口径薄板光学元件上、下表面的平行度误差。

进一步的，所述步骤1)是：将与大口径薄板光学元件口径相当的真空吸盘安装固定于磨床磁台上，按照平面磨削轨迹磨削真空吸盘表面，采用位移传感器在位测量真空吸盘的面形误差F0。

进一步的，所述步骤2)是：清洁真空吸盘表面和大口径薄板光学元件表面，将大口径薄板光学元件放置于真空吸盘表面吸附孔区域，开启真空系统并保证大口径薄板光学元件下表面与真空吸盘表面较好贴合，按照平面磨削轨迹磨削大口径薄板光学元件上表面，待大口径薄板光学元件表面磨全后，停止磨削，再采用位移传感器在位测量真空吸附状态下大口径薄板光学元件上表面的面形误差F1，关闭真空系统，将大口径薄板光学元件静置1小时以上，保证大口径薄板光学元件完全弹性恢复后，再在位测量大口径薄板光学元件上表面的面形误差F2。

进一步的，所述步骤3)是：以上述测量得到的面形误差F2减去面形误差F1，得到大口径薄板光学元件下表面和真空吸盘表面之间空气间隙层的误差分布F，重新真空吸附大口径薄板光学元件并保证大口径薄板光学元件的下表面与磁台表面较好贴合，以误差分布F进行补偿磨削加工，补偿方式为负补偿，待大口径薄板光学元件磨全后，关闭真空系统并静置1小时以上，在位测量上表面的面形，完成面形误差控制。

进一步的，所述步骤4)是：重新清洁真空吸盘表面和大口径薄板光学元件，以大口径薄板光学元件上表面朝下真空吸附装夹于真空吸盘表面，保证大口径薄板光学元件上表面与真空吸盘表面贴合，以真空吸盘的面形误差F0进行补偿加工大口径薄板光学元件下表面，补偿方式采用正补偿，待大口径薄板光学元件磨全后，关闭真空吸盘并静置1小时以上，在位测量大口径薄板光学元件下表面面形；将大口径薄板光学元件取下，使用千分尺测量大口径薄板光学元件不同点位的厚度，得到大口径薄板光学元件上、下表面的平行度误差结果。

进一步的，所述步骤3)在位测量大口径薄板光学元件上表面的面形，若面形不合格，则重复步骤2)和3)，直至合格。

光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制装置，包括真空吸盘，所述真空吸盘上表面设置有均布的竖直向下的竖向吸附孔，且所述真空吸盘在横向和纵向设置有均布的横向通孔和纵向通孔，所述纵向通孔与竖向吸附孔和横向通孔连通并形成真空气路。

进一步的，所述横向通孔两端设置堵头密封，所述纵向通孔一端设置堵头密封，另一端设置有管螺纹与快接头相连。

进一步的，所述真空吸盘侧边还设置有挡块。

进一步的，所述真空吸盘两侧还延伸设置有安装定位面。

进一步的，所述真空吸盘真空吸附产生的变形量比光学元件所需精度低一个数量级。

本发明的有益效果是：本发明基于真空吸附的装夹方法，提高薄板元件表面每一点的支承刚度，减少加工过程中让刀变形，并且结合面形误差在位测量技术和补偿磨削技术，实现了薄板元件面形误差和平行度误差的确定性与稳定性收敛。采用本发明方法，加工尺寸430mm×430mm×10mm的薄板光学元件，面形误差可稳定控制在5μm以内，平行度误差稳定控制在3″以内，相对于采用传统的挡块装夹磨削方式，面形精度与平行度均提高了1倍，精度收敛时间减少了约50％，实现了面形误差和平行度误差的高效稳定控制。

附图说明

图1是本发明的真空吸盘的结构示意图。

图2是本发明的光学元件与真空吸盘吸附装夹的结构示意图。

图3是本发明的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

大口径薄板光学元件自身弯曲刚度弱，在磨削加工过程中受磨削力的作用而产生较大的让刀变形，使得面形误差和平行度误差的控制存在较大的不确定性，并且使得误差收敛效率较低。针对以上特点，本发明提出了基于真空吸附的装夹方法。

本发明的真空吸盘3的结构如图1-2所示，真空吸盘3上表面设置有均布的竖直向下的竖向吸附孔2，且真空吸盘3在横向和纵向还设置有均布的横向通孔4和纵向通孔5，纵向通孔5与竖向吸附孔2和横向通孔4连通并形成真空气路，横向通孔4两端设置堵头密封，纵向通孔5一端设置堵头密封，另一端设置有管螺纹与快接头7相连，快接头7最终再与真空泵连通。真空吸盘3侧边还设置有挡块8，对光学元件1进行安全性保护。真空吸盘3两侧还延伸设置有安装定位面6，用于对磨床磁台表面接触并安装定位。

真空吸盘3材料需具有良好的磨削加工性能，磨削加工后可获得较好的平面度和表面粗糙度。最好采用优质45#钢，内部无杂质砂眼。真空吸盘3经过机械加工后进行退火处理，使其在磨削加工后吸盘表面平面度具有较好的稳定性。真空吸盘3内部具有较高的刚度，真空吸附产生的变形量比大口径薄板光学元件1所需精度低一个数量级。

上述竖直向下的竖向吸附孔2最好均匀分布有15行15列，孔直径为Φ5mm，深度为25mm。上述横向通孔4最好设置在距真空吸盘3表面深度为20mm的位置，最好是15个直径为Φ8mm的通孔，横向通孔4分别与上述竖向吸附孔2连通，形成真空气路。上述纵向通孔5最好设置在距真空吸盘3表面深度为20mm的位置，最好是1个直径为Φ8mm的通孔，纵向通孔5与上述15个横向通孔4连通，形成真空气路。

本发明的真空吸盘3内部仅有横向通孔4和纵向通孔5，无大跨度的中空结构，保证了真空吸盘3在真空吸附情况下的变形量微小。当真空吸盘3安装于磨床上后，其安装定位面6与磨床磁台表面接触，该安装定位面6需要经过精密加工，保证其平面度。真空吸盘3机械加工完成后，进行精密退火处理，释放内部加工残余应力，减小后续使用过程中随时间的形状漂移。

本发明的大口径薄板光学元件磨削加工面形误差和平行度误差控制方法如图3所示，该方法包括以下步骤：

1)磨削真空吸盘3

将与大口径薄板光学元件1口径相当的真空吸盘3安装固定于磨床磁台上，采用砂轮按照平面磨削轨迹磨削真空吸盘3表面，并控制其平面度，采用位移传感器在位测量真空吸盘3的面形误差F0；

2)磨削元件

清洁真空吸盘3表面和大口径薄板光学元件1表面，将大口径薄板光学元件1放置于真空吸盘3表面吸附孔区域，如图2所示，开启真空系统并保证大口径薄板光学元件1下表面(A面，以下同)与真空吸盘3表面较好贴合。采用砂轮按照平面磨削轨迹磨削大口径薄板光学元件1上表面(B面，以下同)。待大口径薄板光学元件1表面磨全(所有区域均磨到)后，停止磨削，再采用位移传感器在位测量真空吸附状态下大口径薄板光学元件1上表面的面形误差F1。关闭真空系统，将大口径薄板光学元件1静置1小时以上，保证大口径薄板光学元件1尽量完全弹性恢复后，再在位测量大口径薄板光学元件1上表面的面形误差F2；

3)面形误差控制

以上述测量得到的面形误差F2减去面形误差F1，得到大口径薄板光学元件1下表面和真空吸盘3表面之间空气间隙层的误差分布F。重新真空吸附大口径薄板光学元件1并保证大口径薄板光学元件1的下表面与磁台表面较好贴合，以误差分布F进行补偿磨削加工，补偿方式为负补偿(将误差分布F进行反向后作为磨削加工时砂轮在竖直方向的运动轨迹)。待大口径薄板光学元件1磨全后，关闭真空系统并静置1小时以上，在位测量上表面的面形，完成面形误差控制；

4)平行度误差控制

重新清洁真空吸盘3表面和大口径薄板光学元件1，以大口径薄板光学元件1上表面朝下真空吸附装夹于真空吸盘3表面，保证大口径薄板光学元件1上表面与真空吸盘3表面贴合。以真空吸盘3的面形误差F0进行补偿加工大口径薄板光学元件1下表面，补偿方式采用正补偿(以误差F0作为磨削加工时砂轮在竖直方向的运动轨迹)。待大口径薄板光学元件1磨全后，关闭真空吸盘3并静置1小时以上，在位测量大口径薄板光学元件1下表面面形；将大口径薄板光学元件1取下，使用千分尺测量大口径薄板光学元件1不同点位的厚度，得到大口径薄板光学元件1上、下表面的平行度误差。

实施例：

加工一块430mm×430mm×10mm熔石英平面薄板光学元件，其磨削加工面形误差和平行度误差控制方法包括以下步骤：

1)将真空吸盘3装夹固定于磨床磁台表面，使用砂轮按照平面磨削加工方式，加工真空吸盘3的吸附表面(分布有竖向吸附孔2的那一面)，并使用面形在位测量系统测量吸盘表面平面度误差F0，保证其平面度优于3μm；

2)将真空吸盘3的表面和光学元件的表面进行彻底清洁，无灰尘、杂质、油污、水渍等后，将光学元件按照图1中的方式真空吸附装夹于真空吸盘3表面，保证所有竖向吸附孔2均被光学元件覆盖，同时光学元件吸附状态良好，即：光学元件下表面与真空吸盘3表面之间无任何异物顶起，真空度优于-0.08MPa，光学元件侧边设置挡块2对元件进行安全性保护；

3)在真空吸附的情况下，使用金刚石砂轮，按照平面磨削加工方式，加工光学元件上表面。待元件表面磨全后，在真空吸附的状态下，使用面形在位检测系统测量元件的面形误差F1；

4)关闭真空系统，将光学元件静置1小时以上，使元件内部应力释放，变形恢复稳定后，使用面形在位检测系统测量此时的面形误差F2。并以面形误差F2减去面形误差F1，得到误差数据F，即为真空系统关闭光学元件弹性变形恢复后，光学元件下表面与真空吸盘表面之间的空气薄膜层厚度分布；

5)重新开启真空系统，保证光学元件下表面与真空吸盘表面贴合完好。以误差分布数据F，进行负补偿磨削加工，即对于误差分布数据F中较高的区域，磨削深度相应增加，误差分布数据F中较低的区域，磨削深度相应减小；

6)元件上表面磨全后，关闭真空系统，静置1小时以上，使元件内部应力释放，变形恢复稳定后，使用面形在位检测系统测量上表面面形。若面形合格，则完成面形控制并进入下一步，否则重复步骤3至步骤6；

7)将元件取下，重新彻底清洁真空吸盘表面和元件表面，以已经完成面形控制的上表面向下，真空吸附装夹于吸盘表面，保证吸附状态完好。元件侧边使用附图2中的挡块2对元件进行安全性保护；

8)在吸附状态下，以测得的吸盘平面度误差数据进行正补偿磨削加工，即对于误差分布中较高的区域，磨削深度相应减少，对于误差分布中较低的区域，磨削深度相应增加。磨全后，关闭真空系统，静置1小时以上，使元件内部应力释放，变形恢复稳定后，使用面形在位检测系统测量下表面面形。将元件取下清洁，使用千分尺测量元件不同点的厚度，最终计算得出上、下两表面之间的平行度误差。

采用本发明的加工方法可以将大口径薄板光学元件面形误差控制在5μm以内，平行度误差控制在3″以内。