光学制造:抛光非球面:跨越材料硬度的规模

时间:2018-06-08 08:53来源:Laser Focus World作者:Jucy 点击:
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摘要:从软光学玻璃到坚硬的技术陶瓷,灵活的技术可以实现非球面表面到亚微米形状精度的高效抛光。非球面光学元件 ,例如透镜和反射镜,由于其优于球面光学元件的优点而在光学系统中变得普遍。 非球面元件具有表面折射,通过最小化球面像差实现良好的性能。 虽然表面变形会提高性能,但它们也会增加制造这些部件的难度。 由于偏离了最适合的领域,计算机数控(CNC)抛光技

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从软光学玻璃到坚硬的技术陶瓷,灵活的技术可以实现非球面表面到亚微米形状精度的高效抛光。

非球面光学元件 ,例如透镜和反射镜,由于其优于球面光学元件的优点而在光学系统中变得普遍。 非球面元件具有表面折射,通过最小化球面像差实现良好的性能。 虽然表面变形会提高性能,但它们也会增加制造这些部件的难度。 由于偏离了最适合的领域,计算机数控(CNC)抛光技术对于有效抛光精密非球面元件非常必要。

一种叫做UltraForm Finishing(UFF)的CNC方法是一种确定性的抛光工艺,它包括一个包裹在精密压缩轮周围的抛光材料传送带(见图1)。 UFF是一种子孔径抛光技术,这意味着抛光工具(UFF带)仅与表面的一小部分区域接触。 电脑控制运动的五轴提供抛光工具与非球面保持恒定接触的能力。

图1.使用五轴电脑控制运动,UltraForm Finishing(UFF)能够抛光非球面和自由曲面。

图1.使用五轴电脑控制运动,UltraForm Finishing(UFF)能够抛光非球面和自由曲面。

对于旋转对称的非球面 ,工件主轴的连续旋转允许有效去除材料(见图2)。 UFF过程由软件驱动,该软件通过两种方式对非球面进行确定性抛光:通过表征去除功能并在表面上执行均匀去除,或者通过基于输入的计量数据执行迭代校正。

图2. UFF的抛光工具配置包括一个皮带和一个压缩轮;根据抛光材料的不同,可以使用不同的皮带和轮子。

图2. UFF的抛光工具配置包括一个皮带和一个压缩轮; 根据抛光材料的不同,可以使用不同的皮带和轮子

UFF抛光工具的轮子部件由适应性材料制成,并且可以制造成各种直径和硬度(硬度是材料硬度的量度)。 围绕车轮的皮带可以与研磨材料(例如氧化铈(CeO)和金刚石)结合 ,或者由传统上用于光学抛光的聚氨酯材料制成。 带有磨料的传送带与冷却剂配对以产生最佳效果,而聚氨酯传送带以松散的磨料浆运行。 通过选择不同的砂轮规格,并结合各种砂带的选择,操作员可以控制抛光过程中清除了多少材料。

除了能够控制材料去除之外,带有UFF的多种皮带配置使得它可以灵活地研磨各种材料,从软光学玻璃到更硬的技术陶瓷。 因此,光学系统的设计人员可以根据应用自由选择多种材料作为其非球面元件,并且对元件的可制造性有信心。 通过选择最好的UFF带和冷却液或浆液,公司可以将非球面光学元件抛光至10ÅRMS以下的所需表面光洁度规格。

抛光材料硬度不一

选择光学系统理想材料的因素很多,包括热性能,光学性能和机械性能。 就本文而言,重点将放在机械性能(特别是努普硬度)如何影响非球面光学元件的UFF抛光工艺。 抛光“配方”将针对努氏硬度不同的三种材料展示:熔凝硅石(500),硅(1150)和碳化硅(2500)。

熔融石英是由硅气体或石英砂(非结晶)制成的完全合成材料,具有良好的紫外线(UV)性能,使其非常适用于紫外透射光学器件等应用。 1熔融二氧化硅的努普硬度为500,与其他红外(IR)材料或工业陶瓷相比,其硬度相对较低。 这非常适合用UFF抛光。 操作员可以在研磨阶段后直接抛光非球面部件,并获得高的去除率和精密表面。 抛光熔融石英时,CeO带和冷却液的组合可以产生最佳效果。 这对于其他光学眼镜也是适用的,例如由Ohara制造的S-TIH53或由Schott制造的N-BK7。 抛光由熔融石英和其他光学玻璃制成的非球面元件的典型表面光洁度为10埃。

硅用于1.2-7μm波长范围内的各种红外应用,包括近红外成像或红外光谱。 2努氏硬度为1150的硅比熔融石英硬得多 - 这是抛光该材料时的一个重要考虑因素。 它也比其他红外材料更加坚硬,有利于称为单点金刚石车削(SPDT)的加工方法。 SPDT涉及使用配备有单点人造金刚石的车床作为切削工具。 对于某些材料,这可能是实现高精度非球面表面的有效方法。 但是,由于硅的硬度,SPDT不是理想的解决方案,因为单点人造金刚石构成了整个工具表面。 硅迅速消耗SPDT机器上使用的昂贵的钻石刀具,需要经常更换,这会延迟整个过程并增加消耗品成本。

图3.这里,硅非球面用CeO带和冷却剂抛光以帮助去除材料。

图3.这里,硅非球面用CeO带和冷却剂抛光以帮助去除材料

相比之下,UFF具有一条移动的抛光材料带,可提供1250毫米的线性工具表面。 当用CeO带和水溶性冷却剂抛光硅时,抛光工具需要8个小时才能更换新鲜带(见图3)。 UFF皮带价格低廉,更换皮带不超过几分钟。 当用UFF抛光硅时,也可以预期30ÅRMS的表面光洁度(见图4)。

图4.用UFF抛光之前和之后显示硅非球面表面。精磨阶段和抛光前硅的典型表面光洁度为5μmRMS; UFF可以将表面光洁度提高到30ÅRMS。

图4.用UFF抛光之前和之后显示硅非球面表面。 精磨阶段和抛光前硅的典型表面光洁度为5μmRMS; UFF可以将表面光洁度提高到30ÅRMS。

碳化硅(SiC)是陶瓷中最难的,并且在高温下保持硬度和强度,这也转化为最佳耐磨性。 3这些性能使该材料成为望远镜应用的理想选择。 努氏硬度为2500时,SiC比硅的硬度高一倍以上。

一般来说,抛光材料越硬,从表面去除材料就越困难。 UFF通过使用几种固定磨料尺寸范围从45到0.5μm的钻石带以及用于最终抛光的聚氨酯带来克服了这一挑战。 通过使用一系列固定砂带并用聚氨酯砂带进行精加工,可在整个工艺过程中实现有效的材料去除,同时限制每个抛光阶段所经受的刀具磨损量。 粗糙的45微米金刚石带应用于UFF抛光工艺的开始阶段。 随后,根据所需的表面光洁度使用更细的钻石带。 为了达到约5nm RMS的表面光洁度,UFF工艺应该使用带有松散研磨浆料的聚氨酯带进行校正运行。

为任何应用程序启用材料

光学系统的应用在应该用于系统中的非球面光学元件的材料中起着重要作用。 无论应用程序是否落入电磁波谱的紫外,可见光或红外区域,都可以选择一种材料来产生最佳性能。

每种材料都是独特的,并具有不同的机械性能。 当期望以高效率生产高精度非球面表面时,被抛光材料的努普硬度可以消除某些制造方法的考虑。 用不同的皮带和轮子配置UFF抛光工具的灵活性使得光学制造商能够抛光各种各样的材料,从较软的光学玻璃到极其坚硬的技术陶瓷。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
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