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平面光学元件的加工技术

浙江大学光电信息工程系曹天宁

宁波华光精密仪器有限公司周柳云

光学平面零件包括棱镜、平行平面板、平面反光镜、平晶、光楔、光盘片基、滤光片、
波片、倍频器、液晶光屏平面等等。其大小从φ1mm到φ1000mm或更大,材料主要是光学玻
璃,有时是光学晶体,为了达到高精度与高效率,采用技术方法很多,有铣磨、精磨、研磨、抛
光、分离器抛光、环抛、水中抛光（BFP）、单点金刚石飞切(SPDFC)、计算机机控制小工具
抛修(CCP)、离子抛光等等。

从机理上考察,可以归纳为三类基本方法

一、范成法形成平面

特点是依靠机床的精确运动形成平面包络面,对机床精度要求高.如用筒状金刚石磨
轮铣磨平面,按形成球面正弦公式当α=0时,R=∞范成了平面(生产上为了排屑排冷却液
方便,α有一个小量,所以表面微凹)。单点金刚石飞切也是依靠高速旋转的轴上的飞刀
与作直线运动的工作台垂直而范成了平面.工具与工件的加工接触为线接触。这种方法，
生产效率按接触状态不算高，由于工具轴速度高所以生产效率变高，加工精度容易保持。

二、轮廓复制法或母板复制法

这种复制法与光栅复制法不一样,在复制过程有磨削研磨、抛光过程。采用精磨模、
抛光模(固着磨料抛光模与柏油抛光模)加工的均属于这一类.工具与工件的接触为面接
触。这种方法，生产效率按接触状态为最高，但必须研究最佳参数达到均匀磨耗，以保
持精度的传递（即复制）。

三、小工具修磨法

计算机控制抛光(CCP)离子束抛光与手修属于这一类,逐点抛修,边检边修,精度可以
很高，对局部修正非常方便.工具与工件的接触为点接触。这种方法，生产效率为最低，
但修改局部误差最方便，所以适合于高精度大中型平面的加工。

(一)、铣磨成型光学平面元件

我国QM30、PM500、XM260研磨机直到NVG-750THD型双轴超精密平面磨床等大型平面
铣磨机都是利用范成法原理高效铣磨出平面,而且可以采用适当的金属夹具,将角度修磨变
为平行平面的铣磨.机床磨轮轴与工件轴的平行度、轴向径向跳动影响棱镜的角度精度.铣磨
成型是光学平面元件毛坯加工的主要技术方法之一。
图一就是PM500铣磨平面的范成运动,图二就是改进的QM30铣削平面的范成运动。图三
是大型的NVG-750THD型双轴超精密平面磨床。

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图三.大型双轴超精密平面磨床

(二)、光学平面的磨削、研磨与抛光

重点在于加工出高精度光学表面面形(N、△N),磨削、研磨与抛光的运动形式很多,但
其特点是一样的,光学平面精度的获得不主要依靠机床的精度,而主要依靠母板的精度的传
递,应该重点研究与把握三个机理。

1、轮廓复制法
2、母板的产生、保持与修复
3、三块平面的对磨与修正

平面精磨模要用金属平磨来修磨,金属平模就是母板,低速环抛机的柏油抛光盘是母板,
高速环抛机的聚氨酯抛光盘修正好后也成了母板.母板最原始最基本获得的办法是三块平模
的对磨与相互修正.研磨(精磨)与抛光过程就是母板的精度的保持、破坏与修复过程.精磨
模、聚氨酯抛光模与固体磨料抛光模接近刚体,比较好满足抛光方程要求,所以母板面形保持
的时间长,适合高效加工要求。柏油抛光模塑性大,不满足抛光方程要求,柏油模在抛光过程
一直处于破坏与修复过程,是古典抛光的特点,效率低,精度高,并且表面粗糙度好。

1、平面的高速精磨与抛光

这是平面的高效的加工的基本方法。例如,在JM030.3、三轴精密精磨抛光机床(φ
300)与PLM400平面精磨机(φ500)(图四、图五),采用高速高压、固着磨料精磨模、固
着磨料抛光模与聚氨酯抛光模等,并采用合理的工艺参数(速度、压力、工具大小、摆幅、
供液量、液温等),可以达到定时定光圈定表面质量的目的.精磨模与抛光模是工作母板,
而合理的工艺参数使工作母板不容易破坏,因而可以较长时间保持面形,维持正常生产。

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图四.JM030.3三轴精磨抛光机

图五.PLM400平面精磨机

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2、高速环型抛光法

HPM60、80、100及JP650型环型抛光机的抛光盘直径为600、800、1000及600mm.
工件可以为平面,也可以为棱镜组合光胶镜盘或金属夹具组合棱镜镜盘.由于HPM机型采
用变频调速,软启动,软停止,运动平稳,低噪音使用更为方便。
这类机床的工作原理也是母板复制法,要求底盘具有高的平面性,工作盘有时带修正
环或分离器,主轴转速高15-85rpm，通常用聚酸脂抛光片加抛光悬浮液抛光.显然修好聚
酸酯抛光盘的平面性是一个关键，可以用平面金属模来修正也可以用金属修正环来修正，
这种方法是中等精度的高效加工方法.图六a为JP560环抛示意图，图六b为JP560环
抛机照片，图六c为HPM100环型平面研