CN106196351A - 光学制造*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学制造***。光学制造***包括：精密气体控制装置、气体管路以及环境控制装置，其中：气体管路的两端分别连接精密气体控制装置和环境控制装置；精密气体控制装置包括气体回路，气体回路还包括：除湿装置，用于对输入的气体进行除湿；过滤器，用于对经过除湿前和/或除湿后的气体进行净化过滤，并进一步将经过除湿和净化过滤的气体通过气体管路输送到环境控制装置；环境控制装置包括：高效过滤器，用于对输送的气体进一步净化过滤后输送到所需的环境中。通过上述方式，本发明避免了精密气体控制装置直接对整个大环境空间进行控制，从而导致浪费资源，环境控制装置能够仅对需要进行控制的局部环境的气体湿度和洁净度进行控制。

Description

光学制造***
技术领域
本发明涉及超精密光学制造领域技术领域，尤其是涉及一种光学制造***。
背景技术
超精密光学制造是指尺寸精度在100nm以内的加工制造技术，主要应用于高端装备制造领域。随着航空、精密仪器、光学和激光技术的迅速发展，以及人造卫星姿态控制和遥感器件、光刻和硅片加工设备等高精度平面、曲面和复杂形状零件的加工需求日益迫切，超精密加工应用范围日益扩大，它的特点是可直接加工出具有纳米级表面光洁度和亚微米级形面精度的表面，借以实现各种优化的、高成像质量的光学***，并促使光学电子设备的小型化、阵列化和集成化。
在超精密光学制造过程中，当其设计精度达到亚微米级甚至纳米级的时候，由环境参数特别是温度引起的误差就成了精度进一步提高的一项主要障碍，例如超精密光学元件面形检测技术。目前高端的菲索干涉仪面形测量精度可以达到λ/10～λ/100。干涉检测的工艺过程和测量结果精度需求都对环境的指标提出高的需求。另外，在微动电机、激光干涉仪测量***、三坐标测量***、高精度位移测量***等超精密制造过程核心关键技术中，由于温度的空间分布不均匀和波动、漂移产生形变，从而导致运动误差；以激光干涉仪为代表的超精密传感、测量装置由于温度、湿度、压力的空间分布不均匀和波动、漂移产生测量误差；空气颗粒污染、化学污染而导超精密光学加工受到腐蚀，从而影响运行。除此以外，超精密光学制造***中加工、装配精度都对环境要求极高。上述情况都反应了急需引入环境控制***来保证设计精度的实现和实际应用的稳定性。
根据经验，针对超精密光学加工制造过程中环境控制的指标要求为：
温度指标：其控制范围为18～24℃，精度为优于±0.05℃，稳定性为±0.025℃/5min，均匀性为±0.1℃/1000mm。
湿度指标：其控制范围为<70％RH。
气浴风速指标：其控制范围为0-0.5m/s，精度为0.1m/s。
洁净度指标：J6级净化/Class 1000。
噪声指标：气浴内部≤50dB。
现有技术中，通常设计整体结构方案采用立体“回”字间结构。具体而言，首先，利用恒温恒湿空调机组在超精密制造实验室与外界之间的***搭建过渡区域，在超精密制造实验室的上、左、右、前、后五个面(下部为回风侧)形成温度精度为±0.2℃的空气隔层，用以最大限度的隔离外界环境对实验室造成的影响。然后，采用另外一套恒温恒湿空调机组向实验室内部提供温度受控、湿度受控和层流处理后的空气，以保证实验室最终±0.02℃的温度精度和J6净化等级及其他要求。
但是上述方案存在空间浪费的问题，例如一个30m2实验室内仅一台超精密光学制造设备需要高精度环境10m2，而上述方案却要对30m2的环境进行控制。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种光学制造***，能够对局部环境的气体湿度和洁净度进行控制。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光学制造***，该光学制造***包括：精密气体控制装置、气体管路以及环境控制装置，其中：所述气体管路的两端分别连接所述精密气体控制装置和环境控制装置；所述精密气体控制装置包括：除湿装置，用于吸附输入的气体的至少部分水蒸气，以对输入的气体进行除湿；过滤器，用于对经过除湿前和/或除湿后的气体进行净化过滤，并进一步将经过温度控制和净化过滤的气体通过所述气体管路输送到所述环境控制装置；所述环境控制装置包括：高效过滤器，用于对所述精密气体控制装置输送的气体进一步净化过滤后输送到所需的环境中。
其中，环境控制装置还包括：温度传感器、湿度传感器以及风速传感器，分别对环境的温度参数、湿度参数以及风速参数进行采集并反馈给所述精密气体控制装置。
其中，过虑器包括初效过滤器和中效过滤器，其中：所述初效过滤器设置在所述除湿装置的前端，用于对输入的气体进行初步净化过滤，并将经过初步过滤的气体输送到所述除湿装置；所述中效过滤器设置在所述除湿装置的后端，用于对经过除湿装置除湿的气体进行二次净化过滤，以通过所述气体管路输送到所述环境控制装置中。
其中，所述气体回路还包括换热器，用于对输入的气体进行温度控制。
其中，换热器采用翅片管式换热器，且所述换热器的形式、换热面积、迎风面积、总管长、水管排数和水管口径可根据实际需要进行配置。
其中，气体回路还包括均风装置、离心风机以及电加热器，所述换热器包括初级换热器和次级换热器，其中：所述均风装置的一侧与外部环境空气直接接触，另一侧与所述初效过滤器相连接，所述均风装置用于将外部空气经过匀化后送入所述初效过滤器内部；所述离心风机的一侧与所述初效过滤器连接，另一侧与所述除湿装置相连接，所述离心风机用于向经过初步净化过滤的气体提供吸力；所述除湿装置的一侧与所述离心风机相连接，另一侧与所述初级换热器相连接；所述初级换热器的一侧与所述除湿装置连接，另一侧与所述电加热器连接，所述初级换热器用于向经过除湿后的气体提供初级温度稳定的温度场，以进行初级气体温度控制；所述电加热器的一侧与所述初级换热器相连接，另一侧与所述次级换热器相连接，所述电加热器用于对经过初级气体温度控制的气体进行加热升温控制；所述次级换热器的一侧与电加热器相连接，另一侧与所述中效过滤器相连接，所述次级换热器用于向经过加热升温控制的气体提供次级温度稳定的温度场，以进行精密气体温度控制；所述中效过滤器的一侧与所述次级换热器连接，另一侧与所述气体管路连接。
其中，精密气体控制装置还包括液体回路，所述液体回路包括初级调节阀和次级调节阀，其中：所述初级调节阀通过管路与所述初级换热器连接，所述初级调节阀用于控制流入和流出所述初级换热器的循环液的流量，以向所述初级换热器提供初级温度稳定的温度场；所述次级调节阀通过管路与所述次级换热器连接，所述次级调节阀用于控制流入和流出所述次级换热器的循环液的流量，以向所述次级换热器提供次级温度稳定的温度场。
其中，精密气体控制装置还包括主控器，所述主控器分别与所述离心风机、电加热器、初级调节阀以及次级调节阀相连接，分别对所述离心风机的送风风量、电加热器的加热量、初级调节阀控制的循环液的流量以及次级调节阀控制的循环液的流量进行控制。
其中，主控器进一步与所述环境控制装置的温度传感器、湿度传感器以及风速传感器连接，以接收所述温度参数、湿度参数以及风速参数并反馈给用户。
其中，光学制造***还包括液体恒温控制装置，所述液体恒温控制装置与所述精密气体控制装置相连接，用于利用外部循环液体对所述精密气体控制装置内部的气体温度进行控制。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种光学制造***，该光学制造***包括精密气体控制装置、气体管路以及环境控制装置，其中，气体管路的两端分别连接精密气体控制装置和环境控制装置；精密气体控制装置包括除湿装置和过滤器，其中除湿装置用于吸附输入的气体的至少部分水蒸气，以对输入的气体进行除湿；过滤器用于对经过除湿前和/或除湿后的气体进行净化过滤，并进一步将经过除湿和净化过滤的气体通过气体管路输送到环境控制装置；环境控制装置包括高效过滤器，用于对精密气体控制装置输送的气体进一步净化过滤后输送到所需的环境中。因此，本发明避免了精密气体控制装置直接对整个大环境空间进行控制，从而导致浪费资源，环境控制装置能够仅对需要进行控制的局部环境的气体湿度和洁净度进行控制。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光学制造***的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种精密气体控制装置的结构示意图；
图3是本发明的一种光学制造***实测的外部环境温度变化曲线图；
图4为本发明的一种光学制造***的内部实测稳定后温度变化曲线图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种光学制造***的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种精密气体控制装置的结构示意图。如图1和图2所示，本实施例的光学制造***10包括精密气体控制装置100、气体管路200以及环境控制装置300。
其中，气体管路200的两端分别连接精密气体控制装置100和环境控制装置300。气体管路200优选为软管连接方式，方便移动。在其他实施例中，气体管路200也可为固定管路。
精密气体控制装置100的一侧与外部空气直接接触，另一侧与气体管路200相连接，精密气体控制装置100用于将外部空气经过除湿和净化后送至气体管路200。具体的，精密气体控制装置100包括除湿装置4和过滤器28。其中除湿装置4用于吸附输入的气体的至少部分水蒸气，以对输入的气体进行除湿，达到降低气体湿度的作用。过滤器28用于对经过除湿前和/或除湿后的气体进行净化过滤，并进一步将经过除湿和净化过滤的气体通过气体管路200输送到环境控制装置300。
其中，精密气体控制装置100还对外部空气进行均匀化、温度控制等，具体将在后文详述。
环境控制装置300包括高效过滤器201，用于对精密气体控制装置100输送的气体进一步净化过滤后输送到所需的环境中。
具体的，环境控制装置200的进风口连接高效过滤器201，高效过滤器201用于对精密气体控制装置100输送的气体的进行过滤，以提高气体的洁净度。高效过滤器201主要过滤气体内0.1μm和0.3μm以上尘埃粒。高效过滤器201可更换，可拆卸。气体通过环境控制装置200内部的区间后排放到所在的空气环境中。
可选的，环境控制装置300可以为一个封闭或半封闭的设备，将其设置在实验室或者其他工作环境中，然后将需要高精度环境的超精密光学制造设备置于其中，进而仅对该超精密光学制造设备提供高精度环境。
其中，环境控制装置300的大小、尺寸可根据实际应用调节，其形状可为矩形、正方形等规则形状或不规则形状。其大小可以为3m3、6m3、9m3、15m3几个标准尺寸。由此其适用的环境面积大小包括3m3、6m3、9m3以及15m3。
因此，本发明实施例的光学制造***10通过将气体的湿度控制和净化的装置，即精密气体控制装置100与环境控制的装置，即环境控制装置300进行单独设置，使得环境控制装置300可以根据需要将进行除湿和净化后的合格气体输送到所需的局部环境中，从而实现仅对所需的局部环境进行控制，达到节省资源的目的。
光学制造***10可放置在外部环境温度范围优于±2℃的温度精度的工作环境中，例如实验室，局部环境的温度精度可达优于±0.05℃。
可选的，光学制造***10还可放置外部无控制的环境，则局部环境的温度控制精度和外部环境温度相关，内/外温度变化优选比例为：1：50。
可选的，精密气体控制装置100可根据计算配置，与多个环境控制装置300连接，从而实现对多个局部环境进行控制。
本实施例中，环境控制装置300还包括温度传感器202、湿度传感器203以及风速传感器204。
温度传感器202、湿度传感器203以及风速传感器204，分别对局部环境的温度参数、湿度参数以及风速参数进行采集并反馈给精密气体控制装置100。具体的，光学制造***10还包括电气线缆700，温度传感器202、湿度传感器203以及风速传感器204具体是通过电气线缆700将采集到的信息实时反馈给精密气体控制装置100。
可选的，温度传感器202、湿度传感器203以及风速传感器204可分别为一个或多个。当温度传感器202、湿度传感器203以及风速传感器204分别为多个时，其均匀设置在环境控制装置300的不同位置。
本实施例中，精密气体控制装置100包括气体回路101。其中，气体回路101包括前文所述的除湿装置4和过滤器28。进一步的，过虑器28包括初效过滤器2和中效过滤器8。其中，初效过滤器2设置在除湿装置4的前端，用于对输入的气体进行初步净化过滤。初效过滤器2主要用于过滤5μm以上尘埃粒子。中效过滤器8设置在除湿装置4的后端，用于对经过除湿装置4除湿的气体进行二次净化过滤，以通过精密气体控制装置100外部的气体管路200送到环境控制装置300中，其中，中效过滤器8可更换，可拆卸。本实施例中，过滤器28为板式过滤器、折叠式过滤器以及袋式，过滤材料为无纺布、尼龙网、活性碳滤材以及金属孔网。
在其他实施例中，为了降低成本，还可以仅设置一个过滤器，例如仅设置初效过滤器2或仅设置中效过滤器8，分别对除湿前或除湿后的气体进行过滤。
本实施例中，气体回路101还包括换热器57，用于对输入的气体进行温度控制。本实施例中，换热器57优选采用翅片管式换热器，翅片管式换热器通常有几排与气流方向垂直的、外侧带翅片的翅片管组成。且换热器57的形式、换热面积、迎风面积、总管长、水管排数和水管口径等结构参数可根据实际需要进行配置。
进一步的，气体回路101还包括均风装置1、离心风机3以及电加热器6，换热器57包括初级换热器5和次级换热器7。其中依次连接顺序为：均风装置1、初效过滤器2、离心风机3、除湿装置4、初级换热器5、电加热器6、次级换热器7以及中效过滤器8。具体的：
均风装置1的一侧与外部环境空气直接接触，另一侧与初效过滤器2相连接，均风装置1用于将外部空气经过匀化后送入初效过滤器内部2。均风装置1能提高换热器57的效率和空气温度均匀性。
离心风机3的一侧与初效过滤器2连接，另一侧与除湿装置4相连接，离心风机3用于向经过初步净化过滤的气体提供吸力。其中，离心风机3的吸入风量可调。离心风机3的送风风量可根据局部环境的面积，即环境控制装置300的大小进行配置。
除湿装置4的一侧与离心风机3相连接，另一侧与初级换热器5相连接，除湿装置4用于吸附经过离心风机3后的气体的至少部分水蒸气，以达到降低气体湿度的作用。
初级换热器5的一侧与除湿装置4连接，另一侧与电加热器6连接，初级换热器5用于向经过除湿后的气体提供初级温度稳定的温度场，以进行初级气体温度控制。
电加热器6的一侧与初级换热器5相连接，另一侧与次级换热器7相连接，电加热器6用于对经过初级气体温度控制的气体进行加热升温控制。电加热器6的加热量大小可调。
次级换热器7的一侧与电加热器6相连接，另一侧与中效过滤器8相连接，次级换热器7用于向经过加热升温控制的气体提供次级温度稳定的温度场，以进行精密气体温度控制。
中效过滤器8的一侧与次级换热器7连接，另一侧与气体管路连接200。
进一步的，本实施例的精密气体控制装置100还包括液体回路102。液体回路102包括初级调节阀11和次级调节阀12。其中：
初级调节阀11通过管路与初级换热器5连接，初级调节阀11用于控制流入和流出初级换热器5的循环液的流量，具体是控制流入和流出初级换热器5的盘管结构的循环液的流量，以向初级换热器5提供初级温度稳定的温度场。初级换热器5将气体通过盘管结构提供的初级温度稳定的温度场，以进行粗略气体温度控制。
次级调节阀12通过管路与次级换热器7连接，次级调节阀12用于控制流入和流出次级换热器7的循环液的流量，具体是控制流入和流出次级换热器7的盘管结构的循环液的流量，以向次级换热器7提供次级温度稳定的温度场。次级换热器7将气体通过盘管结构提供的次级温度稳定的温度场，以进行精密气体温度控制。
进一步的，精密气体控制装置100还包括主控器9。主控器9分别与离心风机3、电加热器6、初级调节阀11以及次级调节阀12相连接。具体主控器9是通过控制线缆13分别与离心风机3、电加热器6、初级调节阀11以及次级调节阀12相连接。
其中，主控器9控制离心风机3的开关、吸入风量以及送风风量。主控器9控制电加热器6的开关和加热量。主控器9控制初级调节阀11控制的循环液的流量以及次级调节阀12控制的循环液的流量进行电气控制。
进一步的，主控器9还通过电气连接线缆700连接环境控制装置300内设置的温度传感器202、湿度传感器203以及风速传感器204，以获取对应的温度、湿度以及风速信息。
进一步的，精密气体控制装置100还包括触摸屏10。主控器9与触摸屏10相连接，发送触摸屏10需要的人机交互数据并接受触摸屏10的控制指令。触摸屏10接收并实时显示主控器9发送的环境数据，且提供外部人员控制操作。
本实施例中，光学制造***10还包括液体恒温控制装置800，液体恒温控制装置800与精密气体控制装置100相连接，具体是与精密气体控制装置100的进液口和出液口相连接，其中，进液口连接初级调节阀11、次级调节阀12，出液口连接初级换热器5和次级换热器7。液体恒温控制装置800用于利用外部循环液体对精密气体控制装置100内部的气体温度进行控制。
前文介绍了一种光学***装置10，经过实际测试，得到一组数据，参见附图3，外部环境温度变化曲线图，其外部环境的温度变化为：最大值(Max)为22.74℃，最小值(Min)为19.63℃，标准值(Std)为0.7095，平均值(mean)为20.59℃，中值(median)为20.42℃，测量值(PV)为3.109℃。得到的光学***内部的环境控制装置的温度变化数据为：最大值(Max)为20.16℃，最小值(Min)为Min:20.02℃，平均值(mean)为20.12℃，标准值(Std)为0.02872，测量值(PV)为0.146℃，具体参见附图4。得到湿度14％RH，PV：1％RH；洁净度：class1000级别；噪声45db。由测试结果可知，前文介绍的光学***装置10能够满足超精密光学制造过程中的高精度环境控制要求。
综上所述，本发明的，光学***装置10实现对超精密光学制造过程需要超高精度环境的区域进行控制，提供局部稳定的温度、湿度、压力、风速、洁净度的气浴环境。主要应用于超精密光学制造***加工、装配等环境控制精度要求极高的场合，满足超精密光学制造正常过程的指标要求，保障设计精度的实现和实际应用的稳定性，解决了以前设计不能移动、建造及维护费用高昂、空间浪费等问题。本发明的优点在于：局部环境控制精度高(温度优于±0.05℃，洁净度class1000级)，费用低，能耗低，可移动，易操作，维护方便。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学制造***，其特征在于，所述光学制造***包括：精密气体控制装置、气体管路以及环境控制装置，其中：
所述气体管路的两端分别连接所述精密气体控制装置和环境控制装置；
所述精密气体控制装置包括气体回路，所述气体回路包括：
除湿装置，用于吸附输入的气体的至少部分水蒸气，以对输入的气体进行除湿；
过滤器，用于对经过除湿前和/或除湿后的气体进行净化过滤，并进一步将经过除湿和净化过滤的气体通过所述气体管路输送到所述环境控制装置；
所述环境控制装置包括：
高效过滤器，用于对所述精密气体控制装置输送的气体进一步净化过滤后输送到所需的环境中。
2.根据权利要求1所述的光学制造***，其特征在于，所述环境控制装置还包括：
温度传感器、湿度传感器以及风速传感器，分别对环境的温度参数、湿度参数以及风速参数进行采集并反馈给所述精密气体控制装置。
3.根据权利要求1所述的光学制造***，其特征在于，所述过虑器包括初效过滤器和中效过滤器，其中：
所述初效过滤器设置在所述除湿装置的前端，用于对输入的气体进行初步净化过滤，并将经过初步过滤的气体输送到所述除湿装置；
所述中效过滤器设置在所述除湿装置的后端，用于对经过除湿装置除湿的气体进行二次净化过滤，以通过所述气体管路输送到所述环境控制装置中。
4.根据权利要求3所述的光学制造***，其特征在于，所述气体回路还包括换热器，用于对输入的气体进行温度控制。
5.根据权利要求1所述的光学制造***，其特征在于，所述换热器采用翅片管式换热器，且所述换热器的形式、换热面积、迎风面积、总管长、水管排数和水管口径可根据实际需要进行配置。
6.根据权利要求4所述的光学制造***，其特征在于，所述气体回路还包括均风装置、离心风机以及电加热器，所述换热器包括初级换热器和次级换热器，其中：
所述均风装置的一侧与外部环境空气直接接触，另一侧与所述初效过滤器相连接，所述均风装置用于将外部空气经过匀化后送入所述初效过滤器内部；
所述离心风机的一侧与所述初效过滤器连接，另一侧与所述除湿装置相连接，所述离心风机用于向经过初步净化过滤的气体提供吸力；
所述除湿装置的一侧与所述离心风机相连接，另一侧与所述初级换热器相连接；
所述初级换热器的一侧与所述除湿装置连接，另一侧与所述电加热器连接，所述初级换热器用于向经过除湿后的气体提供初级温度稳定的温度场，以进行初级气体温度控制；
所述电加热器的一侧与所述初级换热器相连接，另一侧与所述次级换热器相连接，所述电加热器用于对经过初级气体温度控制的气体进行加热升温控制；
所述次级换热器的一侧与电加热器相连接，另一侧与所述中效过滤器相连接，所述次级换热器用于向经过加热升温控制的气体提供次级温度稳定的温度场，以进行精密气体温度控制；
所述中效过滤器的一侧与所述次级换热器连接，另一侧与所述气体管路连接。
7.根据权利要求6所述的光学制造***，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括液体回路，所述液体回路包括初级调节阀和次级调节阀，其中：
所述初级调节阀通过管路与所述初级换热器连接，所述初级调节阀用于控制流入和流出所述初级换热器的循环液的流量，以向所述初级换热器提供初级温度稳定的温度场；
所述次级调节阀通过管路与所述次级换热器连接，所述次级调节阀用于控制流入和流出所述次级换热器的循环液的流量，以向所述次级换热器提供次级温度稳定的温度场。
8.根据权利要求7所述的光学制造***，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括主控器，所述主控器分别与所述离心风机、电加热器、初级调节阀以及次级调节阀相连接，分别对所述离心风机的送风风量、电加热器的加热量、初级调节阀控制的循环液的流量以及次级调节阀控制的循环液的流量进行控制。
9.根据权利要求2所述的光学制造***，其特征在于，所述主控器进一步与所述环境控制装置的温度传感器、湿度传感器以及风速传感器连接，以接收所述温度参数、湿度参数以及风速参数并反馈给用户。
10.根据权利要求4所述的光学制造***，其特征在于，所述光学制造***还包括液体恒温控制装置，所述液体恒温控制装置与所述精密气体控制装置相连接，用于利用外部循环液体对所述精密气体控制装置内部的气体温度进行控制。
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