CN105397609B - 一种光学零件高精度平面的修形加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学零件高精度平面的修形加工方法，该方法在传统研磨抛光方法的基础上，通过专用修形抛光盘使位于抛光盘上不同径向位置环形区域的抛光垫不起材料去除作用，并结合工艺条件控制，获得不同的材料去除率分布曲线，根据工件表面初始表面轮廓形貌偏差，设计各种材料去除特性对应工艺条件的加工时间，实现工件表面的修形加工。本发明的抛光盘上盘由具有升降功能的多个同心环组成，可以获得不同的表面材料去除率分布特性，实现确定性加工。本发明根据光学零件的原始表面轮廓形貌偏差设计修形方案，对表面进行确定性的材料去除加工，总去除余量小，加工效率高，成本低。本发明可以适用于任意形状和厚度的待加工工件。

Description

一种光学零件高精度平面的修形加工方法

技术领域

本发明属于光学零件加工技术领域，具体来说是一种光学零件高精度平面的修形加工方法。

背景技术

平面光学元件是光学***的重要组成部分，比如望远镜***中的平面反射镜、抛物面镜检验***中的平面标准镜等。在这些***中，平面光学元件的精度影响着***的成像质量和检测结果。近年来，随着光学技术的发展，光学***中的光学元件不断呈现出数量多和口径大的趋势，如大型天文望远镜、高功率激光装置等。以美国国家点火装置(NIF)为例,是一项庞大而又复杂的巨型光学工程，其对光学元件的要求无论是质量上还是数量上都是空前的，192路光束共需约7500件42cm×42cm以上尺寸的大口径光学元件，再加上备份元件和小口径元件总计共需约30000件光学元件，这其中就包含了大量的平面光学元件。随着平面光学元件口径的不断增大，其加工难度和成本也在不断提升。

以碳化硅陶瓷为代表的颗粒复合材料因具有密度低、比刚度高、膨胀系数小、导热性能好、线膨胀系数均匀、热性能和机械性能各向同性等诸多方面的优点，使其在光学***中有着很好的应用前景，以该类材料制作的反射镜具有高强度的机械性能，能够做成高度轻量化的轻型结构镜，从而大幅降低***的质量。碳化硅陶瓷材料也有自身的缺陷，一方面，碳化硅表面致密程度远不如玻璃材料，残留的气孔等缺陷会使抛光后的碳化硅表面粗糙度仅能达到3～4nm(RMS)，不能满足高精度反射镜所需的表面粗糙度优于1nm(RMS)的技术指标要求。另一方面，由于碳化硅的硬度和化学稳定性都很高，加工效率较低。为了获得高精度的反射镜，一般先将碳化硅基底加工到一定精度后，再对其表面进行改性，即在碳化硅表面镀制一层致密的改性层用以覆盖碳化硅表面缺陷及改善其可加工性，最后，对碳化硅表面改性层加工得到高精度反射镜。

传统加工方法采用沥青盘环抛方式获得高精度平面，在加工过程中需要对表面不断进行测量并调整工艺参数，是一种基于人工经验的不确定加工方法。由于去除余量的不确定，表面的改性层要镀制的足够厚，以防止在表面加工到指定精度时改性层过薄甚至完全被抛掉。而较厚的镀层厚度不仅增加镀制的时间和成本，而且会在改性层内部产生较大的残余应力，影响到改性层的力学稳定性。

为了克服传统光学平面加工存在的非确定加工问题，目前高端光学元件采用以计算机控制抛光技术为代表的局部修形加工技术。该类技术不仅可以进行高精度平面零件的确定性修形加工，而且也能胜任曲面零件的修形加工。但由于采用局部修形加工的方式，该类技术存在以下问题：加工效率较低，最终加工零件表面存在中高频误差，会对光学性能产生影响,需要额外的光顺工艺去除中高频误差。除计算机控制抛光之外，从原理出发对传统的抛光技术进行改进，诞生了磁流变抛光和离子束抛光等技术，特别适合于光学零件表面的超高精度加工。磁流变抛光技术产生于上世纪90年代初，它是使用强磁场对磁流变液进行控制，使其形成能够起到磨削作用的“磨头”，磨头的形状和硬度都是由磁场根据被加工的元件做出适当的调整。在抛光时，通过计算机来控制抛光的轨迹和驻留时间从而使得磨头与工件之间可以进行准确、有效的磨削。但是，磁流变抛光的材料去除量较小，对被抛光表面的面形精度具有较高的要求，多应用于工件的后期抛光，在使用它之前需应用传统的抛光技术进行相应的预抛光处理。离子束抛光是利用具有一定能量的惰性气体离子束流轰击工件表面,通过离子和工件表面的原子碰撞,传递动量和能量,使得一部分原子被剥离工件表面，形成对工件表面材料的去除。与磁流变抛光一样，在使用离子束抛光前也要进行相应的预抛光处理，而且对加工环境要求比较严格，它需要在高真空的环境下工作，使得相关设备的价格昂贵，成本高。

相对于基于逐点去除的局部修形技术，全局修形技术具有相对较高的材料去除率，而且可以避免在工件表面产生高频误差。集成电路制造领域，在铜互连层的制作过程中，为了实现表面多余铜材料的均匀一致去除，采用一种基于分区背压调整材料去除率分布的控制方法——多区压力平坦化。这一方法实现了全局材料去除率的控制，理论上可用于平面的全局修形加工，但是，该方法存在问题是：只适用于超薄零件的加工，此外，去除函数受薄板弯曲特性限制,修形能力有限。

发明内容

针对上述问题，为解决现有光学零件加工方法的不足，本发明的主要目的是提供一种光学零件高精度平面的修形加工方法，该方法主要针对平面光学零件加工，既能够实现光学零件表面的确定性全局修形加工，减小去除余量，提高加工效率，避免表面高频误差并降低加工成本，又可以适用于任意厚度零件的加工。

为了实现上述目的，本发明提出一种光学零件高精度平面的修形加工方法，该方法包括：在传统化学机械抛光或机械抛光的基础上，通过去除位于抛光盘上不同径向位置环形区域的抛光垫，并结合工艺条件控制，获得不同的材料去除率分布曲线，根据工件表面初始轮廓偏差，优化各种材料去除率函数对应工艺条件的加工时间，实现工件表面的修形加工。

一种光学零件高精度平面的修形加工方法，具体包括以下步骤：

A、用修形专用抛光盘替换现有研磨抛光机上的整体抛光盘，所述的修形专用抛光盘包括底座、抛光盘上盘和抛光垫，所述的底座通过销孔连接固定在研磨抛光机的下盘上；所述的抛光盘上盘由多个同心环组成，所述的同心环均位于底座上方，所述的同心环的径向宽度小于待加工工件半径的1/2；所述的抛光盘上盘的每一个同心环均具有独立升降功能，并且当所有同心环升起后，其上表面处于同一平面；所述的抛光垫由多个同心环垫组成，与多个同心环具有相同的形状，通过背胶分别粘贴在每个同心环上面；

B、使修形专用抛光盘上所有同心环都处于升起状态,通过自动或手动的方式使其中的一个同心环下降，开始进行抛光加工，测量对应的材料去除函数，依次下降不同位置的同心环进行去除函数测量，并保存数据。材料去除函数的具体测量方式包括以下步骤：在待加工工件表面加工三个不同径向位置和周向位置的5-50微米深度点坑，以这三个点坑底面构成的平面为基准面，用表面轮廓测量仪测量抛光前待加工工件表面轮廓形貌，给定抛光压力、上盘转速、下盘转速和偏心距进行抛光加工，加工后再次以三个点坑底面构成的平面为基准面测量工件表面轮廓形貌。抛光前后两个工件表面轮廓形貌作差即为材料去除函数，除以抛光时间得到材料去除率函数。保存不同条件下测得的材料去除率函数M_i(r)，下标i表示不同条件下测得的值，r是待加工工件半径方向坐标。

C、制定全局修形加工方案，通过优化模型计算待加工工件在不同材料去除率函数M_i(r)对应工艺条件下的加工时间t_i得出全局修形加工方案。所述优化模型的待求变量为各材料去除率函数对应工艺条件下的加工时间t_i，目标函数为修形加工材料总去除量轮廓与待加工工件表面待加工余量轮廓的相对形状偏差最小化，约束条件为所述加工时间t_i均为正数，以及总加工时间不超过给定时间T。

所述的优化模型计算的方法包括以下步骤：测量待加工工件表面初始形貌函数h₀(r)，计算加工余量h_m(r)为初始表面轮廓形貌函数h₀(r)和目标面表面轮廓形貌函数h_t(r)的差，选择与加工余量曲线h_m(r)具有相似分布趋势的材料去除率函数M_i(r)，在径向方向均匀取5-50个点，以这些点的偏差量最小化为目标进行优化，偏差量以几何平均值计算。数学优化模型如下：

Find.t_i

Subject to t_i>0

上述优化模型中，r_k是用于计算偏差量的径向坐标位置，J是形状偏差函数，约束条件中要求对应每一种材料去除率函数的工艺条件下，加工时间t_i要大于0，总加工时间不超过T。

D、利用上述算法得出的全局修形加工方案对待加工工件进行实际修形加工。加工后测量待加工工件表面轮廓形貌，若不满足加工需求，重复步骤C，对该工件表面再次进行修形加工，直到待加工工件符合加工要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明的抛光盘上盘由具有升降功能的多个同心环组成，可以获得不同的表面材料去除率分布特性，实现确定性加工。

2、由于本发明根据光学零件的原始表面轮廓形貌偏差设计修形方案，对表面进行确定性的材料去除加工，总去除余量小，加工效率高，成本低。

3、由于本发明采用全局修形方法对表面进行加工，可以避免在待加工工件表面产生高频误差。

4、由于本发明通过改变抛光盘结构获得不同的材料去除函数，因此不受待加工工件尺寸的限制，可以适用于任意形状和厚度的待加工工件。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1是本发明中对高精度平面进行全局修形加工***示意图。

图2是本发明的修形专用抛光盘示意图。

图3是本发明的流程图。

图中：1、抛光头，2、待加工工件，3、修形专用抛光盘，4、下盘座，31、底座，32、抛光盘上盘，33、抛光垫，34、中心环，35、螺母，36、螺栓，37、弹簧，38、卡套。

具体实施方式

本发明提供了一种光学零件高精度平面的修形加工方法，本发明方法主要针对平面光学零件加工，能够实现光学零件表面的确定性全局修形加工。该方法在传统化学机械抛光或机械抛光的基础上，以修形专用抛光盘代替研磨抛光机上的整体抛光盘，通过去除位于修形专用抛光盘上不同径向位置环形区域的抛光垫，并结合工艺条件控制，获得不同的材料去除率函数，根据待加工工件2表面初始表面轮廓形貌偏差，设计各种材料去除特性对应工艺条件的加工时间，实现待加工工件2表面的修形加工。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明方法的修形加工***示意图，该***的结构包括：由电机驱动旋转的研磨抛光机下盘座4，装配于研磨抛光机下盘座4上面的可手动调整的修形专用抛光盘3随下盘座4旋转，位于修形专用抛光盘3上方的由电机驱动旋转的抛光头1，以及安置在抛光头下表面的待加工工件2，待加工工件2随着抛光头旋转，抛光头直径不小于待加工工件2的直径，加工时抛光头向下运动，使待加工工件2与抛光垫33接触，并保持恒定接触压力。

图2所示为本发明一个具体实施例的修形专用抛光盘3示意图，该装置包括：圆形底座31，通过螺栓36装配于底座31上面的抛光盘上盘32，通过由弹簧37和卡套38组成的结构使配合面紧贴；所述抛光盘上盘32由8个同心环构成，包括中心环34及7个等宽度同心环组合，其中中心环34通过螺母35与底座31固定连接，用于定位，其它同心环均具有独立的升降功能，同心环与同心环之间通过○形圈密封；当所有同心环处于升起状态下时，所有同心环的上表面处于同一平面；抛光垫33亦为同心环结构，通过背胶粘贴在抛光盘上盘32上面，且环形抛光垫33各同心环之间留有0.5mm间隙，防止同心环升降时发生干涉。

根据本发明的一个实施例，待加工工件2为直径为100mm的晶圆。

如图3所示，根据本发明的实施例，对于待加工工件2的全局修形加工具体是通过以下步骤实现的：

(1)将所述修形专用抛光盘3通过销孔连接安装于研磨抛光机的抛光盘座上，代替常规抛光盘，该研磨抛光机拥有上下盘转速控制、下压力控制、偏心距控制以及抛光液供给等功能。

(2)测量修形专用抛光盘3中每个同心环单独降下后晶圆表面的材料去除率函数，测量时需预先给定抛光参数，包括上下盘转速、偏心距和抛光压力等。

(3)使用平面度仪测量待加工工件2的原始表面轮廓形貌，通过对比原始表面轮廓形貌与理想的加工表面轮廓形貌，得到其最小去除余量沿晶圆表面径向的分布特性；

(4)加工方案优化，拟合时间系数，选择与最小去除余量具有相似分布特性的去除率加工条件，以各加工条件的时间系数为变量，优化出最优值，并依次制定最终加工方案，实现全局修形的目的。

Claims (1)

1.一种光学零件高精度平面的修形加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、用修形专用抛光盘(3)替换现有研磨抛光机上的整体抛光盘，所述的修形专用抛光盘(3)包括底座(31)、抛光盘上盘(32)和抛光垫(33)，所述的底座(31)通过销孔连接固定在研磨抛光机的下盘上；所述的抛光盘上盘(32)由多个同心环组成，所述的同心环均位于底座(31)上方，所述的同心环的径向宽度小于待加工工件(2)半径的1/2；所述的抛光盘上盘(32)的每一个同心环均具有独立升降功能，并且当所有同心环升起后，其上表面处于同一平面；所述的抛光垫(33)由多个同心环垫组成，与多个同心环具有相同的形状，通过背胶分别粘贴在每个同心环上面；

B、使修形专用抛光盘(3)上所有同心环都处于升起状态,通过自动或手动的方式使其中的一个同心环下降，开始进行抛光加工，测量对应的材料去除函数，依次下降不同位置的同心环进行去除函数测量，并保存数据；材料去除函数的具体测量方式包括以下步骤：在待加工工件(2)表面加工三个不同径向位置和周向位置的5-50微米深度点坑，以这三个点坑底面构成的平面为基准面，用表面轮廓测量仪测量抛光前待加工工件(2)表面轮廓形貌，给定抛光压力、上盘转速、下盘转速和偏心距进行抛光加工，加工后再次以三个点坑底面构成的平面为基准面测量工件表面轮廓形貌；抛光前后两个工件表面轮廓形貌作差即为材料去除函数，除以抛光时间得到材料去除率函数；保存不同条件下测得的材料去除率函数M_i(r)，下标i表示不同条件下测得的值，r是待加工工件(2)半径方向坐标；

C、制定全局修形加工方案，通过优化模型计算待加工工件(2)在不同材料去除率函数M_i(r)对应工艺条件下的加工时间t_i得出全局修形加工方案；所述优化模型的待求变量为各材料去除率函数对应工艺条件下的加工时间t_i，目标函数为修形加工材料总去除量轮廓与待加工工件(2)表面待加工余量轮廓的相对形状偏差最小化，约束条件为所述加工时间t_i均为正数，以及总加工时间不超过给定时间T；

所述的优化模型计算的方法包括以下步骤：测量待加工工件(2)表面初始形貌函数h₀(r)，计算加工余量h_m(r)为初始表面轮廓形貌函数h₀(r)和目标面表面轮廓形貌函数h_t(r)的差，选择与加工余量曲线h_m(r)具有相似分布趋势的材料去除率函数M_i(r)，在径向方向均匀取5-50个点，以这些点的偏差量最小化为目标进行优化，偏差量以几何平均值计算；数学优化模型如下：

Find.t_i

$\begin{array}{cc}Min.& J={\[{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^K{\[{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{M}_i\left(r_k\right)t_i-h_m\left(r_k\right)\]}^2\]}^{0.5}\end{array}$

Subject to t_i>0

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{t}_i\≤T$

上述优化模型中，r_k是用于计算偏差量的径向坐标位置，J是形状偏差函数，约束条件中要求对应每一种材料去除率函数的工艺条件下，加工时间t_i要大于0，总加工时间不超过T；

D、利用上述算法得出的全局修形加工方案对待加工工件(2)进行实际修形加工；加工后测量待加工工件(2)表面轮廓形貌，若不满足加工需求，重复步骤C，对该工件表面再次进行修形加工，直到待加工工件(2)符合加工要求。