[发明专利]一种光学自由曲面的抛光装置及方法

说明书

一种光学自由曲面的抛光装置及方法属于光学制造领域，该振动抛光装置包括振动抛光头、控制系统、PC机、五轴数控平台、抛光压力控制机构。控制系统、PC机分别位于可移动工作台上下方，控制系统中的驱动器与振动抛光头连接，数控系统与五轴数控平台通信，控制器与抛光压力控制机构连接；PC机与控制系统连接，对抛光参数设定后传至控制系统，控制整个抛光装置；抛光压力控制机构中的微位移驱动器件与抛光头连接。本发明采用振动辅助抛光方式，针对连续表面如轴对称和离轴非球面，可以同时实现对抛光头振动方式、抛光轨迹以及抛光压力的实时精确控制，能够达到亚微米级面形精度和亚纳米级表面粗糙度，抛光装置具有系统集成、体积小，移动方便等优点。

技术领域

本发明属于光学制造领域，涉及一种光学自由曲面的抛光装置及方法。

背景技术

光学自由曲面是一类特殊的自由曲面，由于其全新的光学设计理念，能最大限度地改善光学系统性能，如校正像差、改善像质、扩大视场等，同时可以优化光学系统，如减轻重量，缩小体积，降低成本等，是新一代光学系统的核心关键器件(Fang FZ,Zhang XD,Weckenmann A,Zhang GX,Evans C.Manufacturing and measurement of freeformoptics.CIRP Annals 2013；62:823-846.)。

对于光学自由曲面的制造一种办法是直接加工，一种办法是通过模具进行复制。通过模具进行复制的办法可以获得更高的效率以及产品稳定性，从而有效的满足实际需要。成型所用模具需要满足在高温下具有优良的热强度、热稳定及热疲劳等性能，一般由具有高强度，高硬度，高脆性的硬质合金制成，例如碳化钨(WC)，碳化硅(SiC)或者化学镀镍磷合金(NiP)等。

由于光学自由曲面需要具有微米甚至亚微米级的加工精度和纳米甚至亚纳米级的表面粗糙度，为了获得高质量的表面，一般是采用超精密机床对模具进行切削或磨削加工。这两种方法虽然可以有效提高模具形状精度以及加工效率，但是由于切削或磨削会造成表面及亚表面损伤，使加工后的表面留有周期性的划痕，这些损伤和划痕会随着成型过程被复制到光学元件表面从而导致降低光学性能(例如损伤降低了光学元件的表面质量，周期性的划痕会造成光学元件在使用过程中发生衍射效应)。随着实际应用中对微小型光学元件光学性能要求的不断提高，目前的加工方法逐渐变得很难满足这种实际需求。

在这种情况下，一个附加的抛光工序变得必不可少。在抛光过程中，由于材料被以弹性或塑性方式去除，由切削或磨削加工导致的表面和亚表面损伤以及周期性划痕将会被消除，得到具有良好表面质量(低表面粗糙度和几乎无亚表面损伤)的模具。另外，通过有效控制材料去除率，模具表面的形状精度也可以得到进一步提高。然而，随着光学器件的尺寸越变越小，尤其是凹面面形，抛光过程变得越来越难进行，从而使得微小光学自由曲面的抛光成为材料加工领域亟待解决的课题之一。目前，虽然磁流变抛光方法已用于自由曲面的抛光，但对于微小尺寸且复杂形貌的表面依旧比较困难。(一种模具自由曲面的磁流变抛光方法，申请(专利)号：CN201010573053.4)。因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的光学自由曲面的抛光方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种微小光学自由曲面的振动抛光装置及方法，以制造出具有亚微米级面形精度和亚纳米级表面粗糙度的高质量光学表面。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种微小光学自由曲面的振动抛光装置，该振动抛光装置包括振动抛光头1、微小光学自由曲面3、控制系统5、PC机6、五轴数控平台7、抛光压力控制机构8。

所述的控制系统5位于可移动工作台4上方，包括驱动器、数控系统、控制器；驱动器与振动抛光头1连接，用于对振动抛光头施加振动信号；数控系统与五轴数控平台7连接进行通信，用于驱动五轴数控平台7；控制器与抛光压力控制机构8连接，用于实现对抛光压力控制机构的闭环控制。