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CN110434681B - 大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法 - Google Patents

大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法 Download PDF

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王哲
顿爱欢
徐学科
贺洪波
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Shanghai Hengyi Optical Precision Machinery Co ltd
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Abstract

一种大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法，本发明不仅可以满足大口径蓝宝石窗口元件的双面反射面形优于1/3λ，表面粗糙度优于0.3nm，平行度优于0.009，表面光洁度优于Ⅲ级的加工要求，而且工艺简单，可直接在单轴抛光机上应用，对设备要求低，可加工口径范围广，生产效率高，生产成本低。

Description

大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法
技术领域
本发明涉及光学元件超精密加工，特别是一种大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法。
背景技术
蓝宝石硬度高，化学稳定性好，导热性优，关键的是蓝宝石具有优良的光学特性，在可见光和MWIR波段显示很好的光透过率。蓝宝石的高耐磨性，可应用于恶劣工作环境，能有效传输紫外到中红外波段的辐射，具有良好的光学特性，光学散射小，折射率均匀性好，且能满足大尺寸窗口的要求。蓝宝石的这些优良特性是其它光学材料无法相比的，是多光谱观察窗口的理想材料。
但此类设备使用的窗口在尽量减少热梯度时，还必须使窗口薄、轻，尽可能减少设备的总重量。因此，此类设备上使用的蓝宝石窗口物理尺寸通常大于500mm，甚至在800mm以上，同时其厚度不到10mm，在这种大口径，薄厚度的情况下，蓝宝石窗口的光学加工相当困难。光学加工过程中镜片极易变形，高精度面形控制困难，边缘畸变严重，加工周期长，成本极高。
目前通用的蓝宝石材料光学元件的抛光工艺有两种：
一种是常规单面研抛工艺，先粘贴固定元件的B面，研抛A面，然后反之，这种工艺加工时间长，元件粘贴存在极大的应力变形，脱离工装后面形精度极差。
另一种是普通双面研抛，将元件置于上下两个抛光盘之间的游星抛光轮内，两个抛光盘反向旋转研抛，这种方法用于大口径蓝宝石薄片元件存在较大的安全隐患，极易造成元件崩边，降低产品合格率；且因为这种方法是一种基于双面抛光机的工艺方法，因此对单体尺寸超过300mm以上的大口径元件难以实现应用，设备依赖性过大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法，该方法不仅可以满足大口径蓝宝石窗口元件的双面反射面形优于1/3λ，表面粗糙度优于0.3nm，平行度优于0.009，表面光洁度优于Ⅲ级的加工要求，而且工艺简单，可直接在单轴抛光机上应用，对设备要求低，可加工口径范围广，生产效率高，生产成本低。
本发明的技术解决方案如下：
一种大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法，该方法采用单轴抛光机，其特点在于，该方法包括以下步骤：
1)将大口径蓝宝石窗口元件(以下简称为元件)置于单轴抛光机的下抛光盘面上，再将上抛光盘压到元件的上表面，同时所述的元件置于带有圆孔连杆的工件环的中间，保持工件环置于下抛光盘上，并与上抛光盘主轴相连；
2)启动单轴抛光机，下抛光盘转速由0增至30rpm，上抛光盘压力由0增至10g/cm2，单轴抛光机的上抛光盘、下抛光盘分别对所述的元件上表面、下表面进行抛光，在元件表面粗糙度高于3nm时，使用的钻石粉抛光液粒径为1μm，且保持抛光液的添加速度为30mL/min，经过一段时间后进入步骤3)；
3)将下抛光盘的转速由30增至40rpm，上抛光盘压力增至10g/cm2，此过程保持使用粒径为1μm的钻石粉，且保持抛光液的添加速度为30mL/min；
4))测量元件两面的粗糙度，当此时元件表面的粗糙度低于3nm时，进入下一步骤，否则，返回步骤3)；
5)从当前的单轴抛光机上取下所述的元件置于另一台单轴抛光机的下抛光盘面上，再将上抛光盘压到元件的上表面，同时所述的元件置于带有圆孔连杆的工件环的中间，保持工件环置于下抛光盘上，并与上抛光盘主轴相连；启动该单轴抛光机，将下抛光盘的转速由40增至50rpm，上抛光盘压力增至15g/cm2，此过程中保持使用粒径为0.5μm的钻石粉抛光液，且保持抛光液的添加速度为40mL/min；
6)测量元件两面的粗糙度，当元件两表面的粗糙度均满足加工要求时进入下一步，否则返回步骤5)；
7)完成大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光。
所述的单轴抛光机的下抛光盘是主动式转动，上抛光盘为被动式转动，工件环与上抛光盘连接作相对运动；上下抛光盘均为树脂铜盘，工件环厚度需略大于元件厚度，工件环内孔直径需大于元件最长对角线长度，上抛光盘直径应略小于元件最长对角线长度，所述的单轴抛光机配备有蠕动泵和过滤网，下抛光盘四周配备凹槽，配合使用可实现抛光液循环注液。
本发明的优点：
1)本发明可适用于大口径薄片蓝宝石窗口元件抛光，可加工口径范围广；
2)本发明加工的元件可实现双面反射面形优于1/3λ，表面粗糙度优于0.3nm，平行度优于0.009，表面光洁度优于Ⅲ级；
3)本发明可直接在单轴机上实施，不需要专用双面抛光机；
4)本发明更换抛光液的方式，采用取下元件更换设备的方式，可保证同一台设备使用的是同一粒径的抛光液，不发生抛光液互相污染导致的元件表面质量下降，进一步提高抛光液使用率，降低成本。
5)本发明加工效率高，耗材使用量小，整体成本低。
附图说明
图1为本发明大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法元件，上、下抛光盘，工件环之间的结构实体图。
1-上抛光盘，2-下抛光盘，3-带有圆孔的连杆，4-工件环，5-蓝宝石窗口元件
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法，该方法采用单轴抛光机，该方法包括以下步骤：参见图1
1)将大口径蓝宝石窗口元件(以下简称为元件)5置于单轴抛光机的下抛光盘2上，再将上抛光盘1压到元件5的上表面，同时所述的元件5置于带有圆孔连杆3的工件环4的中间，保持工件环4置于下抛光盘上，并与上抛光盘主轴相连；
2)启动单轴抛光机，下抛光盘2转速由0增至30rpm，上抛光盘压力由0增至10g/cm2，单轴抛光机的上抛光盘1、下抛光盘2分别对所述的元件5上表面、下表面进行抛光，在元件表面粗糙度高于3nm时，使用的钻石粉抛光液粒径为1μm，且保持抛光液的添加速度为30mL/min，经过一段时间后进入步骤3)；
3)将下抛光盘2的转速由30增至40rpm，上抛光盘压力增至10g/cm2，此过程保持使用粒径为1μm的钻石粉，且保持抛光液的添加速度为30mL/min；
4))测量元件两面的粗糙度，当此时元件表面的粗糙度低于3nm时，进入下一步骤，否则，返回步骤3)；
5)从当前的单轴抛光机上取下所述的元件置于另一台单轴抛光机的下抛光盘2上，再将上抛光盘1压到元件5的上表面，同时所述的元件5置于带有圆孔连杆3的工件环4的中间，保持工件环4置于下抛光盘上，并与上抛光盘主轴相连；启动该单轴抛光机，将下抛光盘2的转速由40增至50rpm，上抛光盘压力增至15g/cm2，此过程中保持使用粒径为0.5μm的钻石粉抛光液，且保持抛光液的添加速度为40mL/min；
6)测量元件两面的粗糙度，当元件两表面的粗糙度均满足加工要求时进入下一步，否则返回步骤5)；
7)完成大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光。
所述的单轴抛光机的下抛光盘是主动式转动，上抛光盘为被动式转动，工件环与上抛光盘连接作相对运动；上下抛光盘均为树脂铜盘，工件环厚度需略大于元件厚度，工件环内孔直径需大于元件最长对角线长度，上抛光盘直径应略小于元件最长对角线长度，所述的单轴抛光机配备有蠕动泵和过滤网，下抛光盘四周配备凹槽，配合使用可实现抛光液循环注液。
本发明更换抛光液的方式，采用取下元件更换设备的方式，可保证同一台设备使用的是同一粒径的抛光液，不发生抛光液互相污染导致的元件表面质量下降，进一步提高抛光液使用率，降低成本。
本发明所加工的元件口径取决于所用单轴机口径，因此适用于各类大中小口径的蓝宝石窗口元件抛光，尤其适用于大口径(≥500mm)蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光。
实施例中，以一片长度为500mm，宽度为140mm，厚度8mm的蓝宝石窗口为抛光对象。实验表明，本发明不仅可以满足大口径蓝宝石窗口元件的双面反射面形优于1/3λ，表面粗糙度优于0.3nm，平行度优于0.009，表面光洁度优于Ⅲ级的加工要求，而且工艺简单，可直接在单轴抛光机上应用，对设备要求低，可加工口径范围广，生产效率高，生产成本低。

Claims (2)

1.一种大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法，该方法采用单轴抛光机，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将大口径蓝宝石窗口元件(5)置于单轴抛光机的下抛光盘(2)上，再将上抛光盘(1)压到元件的上表面，同时所述的元件置于带有圆孔连杆(3)的工件环(4)的中间，保持工件环(4)置于下抛光盘上，并与上抛光盘主轴相连，且工件环与上抛光盘连接作相对运动；
2)启动单轴抛光机，下抛光盘(2)转速由0增至30rpm，上抛光盘压力由0增至10g/cm2，单轴抛光机的上抛光盘(1)、下抛光盘(2)分别对所述的元件(5)上表面、下表面进行抛光，在元件表面粗糙度高于3nm时，使用的钻石粉抛光液粒径为1μm，且保持抛光液的添加速度为30mL/min，经过一段时间后进入步骤3)；
3)将下抛光盘(2)的转速由30增至40rpm，上抛光盘压力增至10g/cm2，此过程保持使用粒径为1μm的钻石粉，且保持抛光液的添加速度为30mL/min；
4))测量元件两面的粗糙度，当此时元件表面的粗糙度低于3nm时，进入下一步骤，否则，返回步骤3)；
5)从当前的单轴抛光机上取下所述的元件置于另一台单轴抛光机的下抛光盘(2)上，再将上抛光盘(1)压到元件的上表面，同时所述的元件置于带有圆孔连杆(3)的工件环(4)的中间，保持工件环(4)置于下抛光盘上，并与上抛光盘主轴相连；启动该单轴抛光机，将下抛光盘(2)的转速由40增至50rpm，上抛光盘压力增至15g/cm2，此过程中保持使用粒径为0.5μm的钻石粉抛光液，且保持抛光液的添加速度为40mL/min；
6)测量元件两面的粗糙度，当元件两表面的粗糙度均满足加工要求时进入下一步，否则返回步骤5)；
7)完成大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光。
2.根据权利要求1所述的大口径蓝宝石窗口元件的双面高精度抛光方法，其特征在于，所述的单轴抛光机的下抛光盘是主动式转动，上抛光盘为被动式转动；上下抛光盘均为树脂铜盘，工件环厚度需略大于元件厚度，工件环内孔直径需大于元件最长对角线长度，上抛光盘直径应略小于元件最长对角线长度，所述的单轴抛光机配备有蠕动泵和过滤网，下抛光盘四周配备凹槽，配合使用可实现抛光液循环注液。
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