CN105772946A - Co2激光束抛光装置 - Google Patents

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Abstract

一种CO2激光束抛光装置，包括脉冲或连续CO2激光器及激光功率控制***、光束整形***、自动聚焦***、扫描***、温控和四维平台联动***。本发明是利用激光加工技术与自动化控制技术相结合，对光学元件进行高精度抛光的装置。本发明可广泛应用于各种面形的光学元件，如平面、球面、非球面等，特别是小型复杂面形。

Description

CO2激光束抛光装置
技术领域
本发明涉及光学元件的抛光，特别是一种CO2激光束抛光装置，可广泛应用于各种面形的光学元件的精细抛光，如平面、球面、非球面等，特别是小型复杂光学元件。
背景技术
目前，对光学元件抛光的方法主要有人工研磨、压模成型、数控车削，及以小磨头抛光、应力盘抛光、磁流变抛光、离子束抛光等为代表的计算机控制技术为核心的数控小工具抛光。这些抛光技术的发展不断推动着光学加工技术的发展，但抛光粉(液)嵌入污染、加工带来的亚表面缺陷、中频误差等问题，仍然是目前商用的抛光方法非常严峻，却待解决关键技术问题。
激光抛光作为一种新的数控抛光技术，是基于CO2激光与物质相互作用，光学元件超精密加工和检测技术等研究基础，通过激光整形、焦斑整形、激光的快速自动聚焦、光源优化处理，并基于面形测量反馈的光束扫描路径设计和四自由度高精度平台联动控制，实现激光抛光技术与自动化控制技术的***集成，对光学元件实现高精度抛光加工。激光抛光为非接触式抛光，无亚表面缺陷；灵活性高，耗时短，抛光时间不依赖表面几何形状，适合平面、球面、自由曲面元件的抛光；无需抛光液，安全无污染等优点。
发明内容
一种CO2激光束抛光装置，其特征是包括脉冲或连续CO2激光器及激光能量控制***、光束整形***、自动聚焦***、扫描***、温控及四维平台联动***；
所述的脉冲或连续CO2激光器及激光能量控制***由连续或者脉冲CO2激光器光源、小孔、衰减片、快门和透镜组成，所述的光束整形***由扩束镜、空间光调制器、第一双胶合消色差透镜、第二双胶合消色差透镜、位于该空间光调制器傅里叶频谱面上的针孔和第一反射镜组成，所述的自动聚焦***由聚焦物镜、分光镜、离轴二象限信号探测器、与该离轴二象限信号探测器相连的信号处理器、与该信号处理器相连的微位移执行器组成，所述的扫描***包括第二反射镜、扩束镜、f·θ透镜以及由X轴可旋转的反光镜和Y轴可旋转的反光镜组成的扫描器，所述的温控及四维平台联动***包括四维平台、放置在该四维平台上的温度控制器、以及控制该四维平台移动的联动控制***；
上述元件位置关系如下：
所述的脉冲或连续CO2激光器的输出激光依次经过同光轴的小孔、衰减片、快门、透镜、扩束镜和空间光调制器，经该空间光调制器反射的光束依次经过同光轴的第一双胶合消色差透镜、针孔、第二双胶合消色差透镜和第一反射镜，经该第一反射镜反射的光路入射到所述的第二反射镜，并被该第二反射镜反射，该反射光束依次经过竖直方向的同光轴的f·θ透镜和扩束镜，入射到所述的X轴可旋转的反光镜，经该X轴可旋转的反光镜反射，进入Y轴可旋转的反光镜，经该Y轴可旋转的反光镜反射，垂直依次进入分光镜和聚焦物镜，该聚焦物镜将光束垂直辐射辐照到放置于所述温度控制器的样品上；经样品表面反射，反射光依次经聚焦物镜和分光镜(3-2)后，由离轴二象限探测器采集，并传输至信号处理器，经信号处理器运算产生驱动信号，从而驱动微位移执行器的上下微动，该驱动微位移执行器与聚焦物镜(3-1)相连，从而带动该聚焦物镜进行动态的离焦补偿。
所述的光束整形***由扩束镜、空间光调制器、第一双胶合消色差透镜、针孔、第二双胶合消色差透镜、第一反射镜组成，其中所述的空间光调制器为可编反射式纯相位液晶空间光调制器，空间光调制器、聚焦物镜的光瞳面和第一消色差双合透镜，第二消色差双合透镜组成一个4f***，位于空间光调制器傅里叶频谱面上的针孔仅让一级衍射光通过，通过计算机编程动态地改变空间光调制器上的相位图，在激光抛光和烧蚀的过程中基于不同面型加工的需要实时进行光束空间整形。
所述的自动聚焦***由聚焦物镜、分光镜、离轴二象限信号探测器、信号处理器、微位移执行器组成，准直光进入物镜后，经样品表面反射，依次经过聚焦物镜和分光镜由离轴二象限探测器接受，将两信号做除法运算的结果送入信号处理器，并产生微位移执行器的驱动信号，从而驱动微位移执行器的上下微动，该驱动微位移执行器带动相连的聚焦物镜移动进行动态的离焦补偿。离轴二象限探测器及其相关光路构成了调焦***的输入***，是对***的离焦信号进行动态监测，微位移执行器作为***补偿的执行机构，以保证***处于合焦状态。
所述的扫描***包括第二反射镜、f·θ透镜、扩束镜和由X轴可旋转的反光镜、Y轴可旋转的反光镜组成的扫描器，扫描器将光束投影到四维平台的平面，形成一个扫描点，其中f·θ透镜用于激光束的聚焦和补偿扫描***中的线性失真，对扫描图象的畸变进行校正，扫描场畸变的补偿拟采用软件校正的方法。
所述的温控和四维平台联动***由温度控制器、四维平台、联动控制***(5-3)组成，其中温度控制器为铝制温度控制器，四维平台是机械式丝杠驱动***，由可转动精密丝杆、机电转化装置、滑动摩擦导轨、控制电脑组成，控制电脑将电信号传输到机电转化装置，机电转化装置控制丝杆转动，实现精确定位。
所述的扫描***及温控和四维平台联动子***的控制***由控制计算机、PLC电气控制***、运动伺服控制***、手持操作盒控制***、电源***组成，采用分层的结构进行控制，其中，协调层用于路径规划、解算、加工任务的调度和工作状态的显示；执行层则通过运动控制器对各运动关节进行伺服控制；驱动层用于实现电机的驱动控制，并通过PLC控制***实现对电气分统的有效控制。
本发明的优点是:
本发明装置是激光加工技术与自动化控制技术的集成，采用的是一种非接触式抛光方式，不会带来亚表面缺陷；无需抛光粉(液)辅助，不存在抛光液污染。可广泛应用于各种面形的光学元件，如平面、球面、非球面等，特别是小型复杂面形。可以用于解决当前抛光技术所面临的抛光液污染及亚表面缺陷等技术问题。
附图说明
图1为CO2激光束抛光装置示意图
图2为连续或脉冲CO2光源及能量控制***示意图
图3为光束整形***的示意图
图4为自动聚焦***的示意图
图5为扫描***的示意图
图6为温控及四维平台联动***示意图
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明做进一步说明。
参阅图1，图1是所述的CO2激光束抛光装置示意图。由图可见，一种CO2激光束抛光装置，其特征是包括脉冲或连续CO2激光器及激光能量控制***1、光束整形***2、自动聚焦***3、扫描***4、温控及四维平台联动***5；
所述的脉冲或连续CO2激光器及激光能量控制***1由连续或者脉冲CO2激光器光源1-1、小孔1-2、衰减片1-3、快门1-4和透镜1-5组成，所述的光束整形***2由扩束镜2-1、空间光调制器2-2、第一双胶合消色差透镜2-3、第二双胶合消色差透镜2-4、位于该空间光调制器2-2傅里叶频谱面上的针孔2-5和第一反射镜2-6组成，所述的自动聚焦***3由聚焦物镜3-1、分光镜3-2、离轴二象限信号探测器3-3、与该离轴二象限信号探测器3-3相连的信号处理器3-4、与该信号处理器3-4相连的微位移执行器3-5组成，所述的扫描***4包括第二反射镜4-1、扩束镜4-2、f·θ透镜4-4以及由X轴可旋转的反光镜4-3-1和Y轴可旋转的反光镜4-3-2组成的扫描器4-3，所述的温控及四维平台联动***5包括四维平台5-2、放置在该四维平台5-2上的温度控制器5-1、以及控制该四维平台5-2移动的联动控制***5-3；
上述元件位置关系如下：
所述的脉冲或连续CO2激光器1-1的输出激光依次经过同光轴的小孔1-2、衰减片1-3、快门1-4、透镜1-5、扩束镜2-1和空间光调制器2-2，经该空间光调制器2-2反射的光束依次经过同光轴的第一双胶合消色差透镜2-3、针孔2-5、第二双胶合消色差透镜2-4和第一反射镜2-6，经该第一反射镜2-6反射的光路入射到所述的第二反射镜4-1，并被该第二反射镜4-1反射，该反射光束依次经过竖直方向的同光轴的f·θ透镜4-4和扩束镜4-2，入射到所述的X轴可旋转的反光镜4-3-1，经该X轴可旋转的反光镜4-3-1反射，进入Y轴可旋转的反光镜4-3-2，经该Y轴可旋转的反光镜4-3-2反射，垂直依次进入分光镜3-2和聚焦物镜3-1，该聚焦物镜3-1将光束垂直辐射辐照到放置于所述温度控制器5-1的样品上；经样品表面反射，反射光依次经聚焦物镜3-1和分光镜3-2后，由离轴二象限探测器3-3采集，并传输至信号处理器3-4，经信号处理器3-4运算产生驱动信号，从而驱动微位移执行器3-5的上下微动，该驱动微位移执行器3-5与聚焦物镜3-1相连，从而带动该聚焦物镜3-1进行动态的离焦补偿。
如图2所述的连续或脉冲CO2激光光源及能量控制***1组成如图所示，依次由连续或脉冲的CO2激光束光源1-1、小孔1-2、衰减片1-3、快门1-4、透镜1-5组成，且为同光轴光路。
如图3所述的光束整形***2组成如图所示，由扩束镜2-1、空间光调制器2-2、第一双胶合消色差透镜2-3、针孔2-5、第二双胶合消色差透镜2-4、第一反射镜2-6组成，其中所述的空间光调制器2-2为可编反射式纯相位液晶空间光调制器，空间光调制器2-2、聚焦物镜3-1的光瞳面和第一消色差双合透镜2-3，第二消色差双合透镜2-4组成一个4f***，位于空间光调制器2-2傅里叶频谱面上的针孔2-5仅让一级衍射光通过，通过计算机编程动态地改变空间光调制器2-2上的相位图，在激光抛光和烧蚀的过程中基于不同面型加工的需要实时进行光束空间整形。
如图4自动聚焦***3组成如图所示，由聚焦物镜3-1、分光镜3-2、离轴二象限信号探测器3-3、信号处理器3-4、微位移执行器3-5组成，准直光进入物镜3-1后，经样品表面反射，依次经过聚焦物镜3-1和分光镜3-2由离轴二象限探测器3-3接受，将两信号做除法运算的结果送入信号处理器3-4，并产生微位移执行器的驱动信号，从而驱动微位移执行器3-5的上下微动，该驱动微位移执行器3-5带动相连的聚焦物镜3-1移动进行动态的离焦补偿。离轴二象限探测器3-3及其相关光路构成了调焦***的输入***，是对***的离焦信号进行动态监测，微位移执行器3-5作为***补偿的执行机构，以保证***处于合焦状态。
如图5所述的扫描***4组成如图所示，包括第二反射镜4-1、f·θ透镜4-4、扩束镜4-2和由X轴可旋转的反光镜4-3-1、Y轴可旋转的反光镜4-3-2组成的扫描器4-3，扫描器4-3将光束投影到四维平台5-2的平面，形成一个扫描点，其中f·θ透镜4-4用于激光束的聚焦和补偿扫描***中的线性失真，对扫描图象的畸变进行校正，扫描场畸变的补偿拟采用软件校正的方法。
如图6所述温控及四维平台联动***组成如图所示，由温度控制器5-1、四维平台5-2、联动控制***5-3组成，其中温度控制器5-1为铝制温度控制器，四维平台5-2是机械式丝杠驱动***，由可转动精密丝杆、机电转化装置、滑动摩擦导轨、控制电脑组成，控制电脑将电信号传输到机电转化装置，机电转化装置控制丝杆转动，实现精确定位。
所述的扫描***4及温控和四维平台联动子***5的控制***由控制计算机、PLC电气控制***、运动伺服控制***、手持操作盒控制***、电源***组成，采用分层的结构进行控制，其中，协调层用于路径规划、解算、加工任务的调度和工作状态的显示；执行层则通过运动控制器对各运动关节进行伺服控制；驱动层用于实现电机的驱动控制，并通过PLC控制***实现对电气分统的有效控制。

Claims (6)

1.一种CO2激光束抛光装置，其特征是包括脉冲或连续CO2激光器及激光能量控制***(1)、光束整形***(2)、自动聚焦***(3)、扫描***(4)、温控及四维平台联动***(5)；
所述的脉冲或连续CO2激光器及激光能量控制***(1)由连续或者脉冲CO2激光器光源(1-1)、小孔(1-2)、衰减片(1-3)、快门(1-4)和透镜(1-5)组成，所述的光束整形***(2)由扩束镜(2-1)、空间光调制器(2-2)、第一双胶合消色差透镜(2-3)、第二双胶合消色差透镜(2-4)、位于该空间光调制器(2-2)傅里叶频谱面上的针孔(2-5)和第一反射镜(2-6)组成，所述的自动聚焦***(3)由聚焦物镜(3-1)、分光镜(3-2)、离轴二象限信号探测器(3-3)、与该离轴二象限信号探测器(3-3)相连的信号处理器(3-4)、与该信号处理器(3-4)相连的微位移执行器(3-5)组成，所述的扫描***(4)包括第二反射镜(4-1)、扩束镜(4-2)、f·θ透镜(4-4)以及由X轴可旋转的反光镜(4-3-1)和Y轴可旋转的反光镜(4-3-2)组成的扫描器(4-3)，所述的温控及四维平台联动***(5)包括四维平台(5-2)、放置在该四维平台(5-2)上的温度控制器(5-1)、以及控制该四维平台(5-2)移动的联动控制***(5-3)；
上述元件位置关系如下：
所述的脉冲或连续CO2激光器(1-1)的输出激光依次经过同光轴的小孔(1-2)、衰减片(1-3)、快门(1-4)、透镜(1-5)、扩束镜(2-1)和空间光调制器(2-2)，经该空间光调制器(2-2)反射的光束依次经过同光轴的第一双胶合消色差透镜(2-3)、针孔(2-5)、第二双胶合消色差透镜(2-4)和第一反射镜(2-6)，经该第一反射镜(2-6)反射的光路入射到所述的第二反射镜(4-1)，并被该第二反射镜(4-1)反射，该反射光束依次经过竖直方向的同光轴的f·θ透镜(4-4)和扩束镜(4-2)，入射到所述的X轴可旋转的反光镜(4-3-1)，经该X轴可旋转的反光镜(4-3-1)反射，进入Y轴可旋转的反光镜(4-3-2)，经该Y轴可旋转的反光镜(4-3-2)反射，垂直依次进入分光镜(3-2)和聚焦物镜(3-1)，该聚焦物镜(3-1)将光束垂直辐射辐照到放置于所述温度控制器(5-1)的样品上；经样品表面反射，反射光依次经聚焦物镜(3-1)和分光镜(3-2)后，由离轴二象限探测器(3-3)采集，并传输至信号处理器(3-4)，经信号处理器(3-4)运算产生驱动信号，从而驱动微位移执行器(3-5)的上下微动，该驱动微位移执行器(3-5)与聚焦物镜(3-1)相连，从而带动该聚焦物镜(3-1)进行动态的离焦补偿。
2.根据权利要求1所述的CO2激光束抛光装置，其特征是所述的光束整形***(2)由扩束镜(2-1)、空间光调制器(2-2)、第一双胶合消色差透镜(2-3)、针孔(2-5)、第二双胶合消色差透镜(2-4)、第一反射镜(2-6)组成，其中所述的空间光调制器(2-2)为可编反射式纯相位液晶空间光调制器，空间光调制器(2-2)、聚焦物镜(3-1)的光瞳面和第一消色差双合透镜(2-3)，第二消色差双合透镜(2-4)组成一个4f***，位于空间光调制器(2-2)傅里叶频谱面上的针孔(2-5)仅让一级衍射光通过，通过计算机编程动态地改变空间光调制器(2-2)上的相位图，在激光抛光和烧蚀的过程中基于不同面型加工的需要实时进行光束空间整形。
3.根据权利要求1所述CO2激光束抛光装置，其特征是所述的自动聚焦***(3)由聚焦物镜(3-1)、分光镜(3-2)、离轴二象限信号探测器(3-3)、信号处理器(3-4)、微位移执行器(3-5)组成，准直光进入物镜(3-1)后，经样品表面反射，依次经过聚焦物镜(3-1)和分光镜(3-2)由离轴二象限探测器(3-3)接受，将两信号做除法运算的结果送入信号处理器(3-4)，并产生微位移执行器的驱动信号，从而驱动微位移执行器(3-5)的上下微动，该驱动微位移执行器(3-5)带动相连的聚焦物镜(3-1)移动进行动态的离焦补偿。离轴二象限探测器(3-3)及其相关光路构成了调焦***的输入***，是对***的离焦信号进行动态监测，微位移执行器(3-5)作为***补偿的执行机构，以保证***处于合焦状态。
4.根据权利要求1所述CO2激光束抛光装置，其特征是所述的扫描***(4)包括第二反射镜(4-1)、f·θ透镜(4-4)、扩束镜(4-2)和由X轴可旋转的反光镜(4-3-1)、Y轴可旋转的反光镜(4-3-2)组成的扫描器(4-3)，扫描器(4-3)将光束投影到四维平台(5-2)的平面，形成一个扫描点，其中f·θ透镜(4-4)用于激光束的聚焦和补偿扫描***中的线性失真，对扫描图象的畸变进行校正，扫描场畸变的补偿拟采用软件校正的方法。
5.根据权利要求1所述CO2激光束抛光装置，其特征是所述的温控和四维平台联动***(5)由温度控制器(5-1)、四维平台(5-2)、联动控制***(5-3)组成，其中温度控制器(5-1)为铝制温度控制器，四维平台(5-2)是机械式丝杠驱动***，由可转动精密丝杆、机电转化装置、滑动摩擦导轨、控制电脑组成，控制电脑将电信号传输到机电转化装置，机电转化装置控制丝杆转动，实现精确定位。
6.根据权利要求1所述CO2激光束抛光装置，其特征是所述的扫描***(4)及温控和四维平台联动子***(5)的控制***由控制计算机、PLC电气控制***、运动伺服控制***、手持操作盒控制***、电源***组成，采用分层的结构进行控制，其中，协调层用于路径规划、解算、加工任务的调度和工作状态的显示；执行层则通过运动控制器对各运动关节进行伺服控制；驱动层用于实现电机的驱动控制，并通过PLC控制***实现对电气分统的有效控制。
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