一种光学透镜双面抛光方法与流程

1.本发明属于超精密加工领域，涉及一种曲面透镜的双面抛光装置，具体涉及一种针对球面/非球面透镜的高效加工方法。


背景技术：

2.近年来，随着激光聚变国家重大科学工程、高分辨对地观测重大科技专项及各种光机电产品需求日益增长的推动下，光学元件的超精密加工正向着高精度、高效率、低成本方向发展。尤其是智能手机及数码电子设备行业的飞速发展，其性能需求提升导致的光学镜头的精度需求也越来越高，作为光学镜头的核心零部件球面/非球面光学元件，其精度也往往要求达到纳米/亚纳米量级。
3.光学元件的抛光方法有很多，如化学机械抛光、游离磨料抛光、等离子体抛光及离子束抛光等。游离磨料抛光起步较早由于其具有的参数易控制，性能稳定的优点在工程领域有着广泛的应用。通常，传统方法中对于几十到几百口径的光学元件会制作与其面形相匹配的抛光磨具结合游离磨料进行抛光。但传统方法对于单个光学元件来说，要实现对其的完全加工必须在抛光过程中进行翻面。由于抛光步骤较繁琐需要不停的翻面，通常花费较多的人力且效率不高。
4.为提升光学元件的抛光效率，一些研究也进行了相关探索，比如：专利cn201822194991.8公开了一种透镜双面抛光装置，提出了一种实现透镜双面抛光的系统可以对透镜部分区域进行双面抛光。专利cn201710958602.1公开了一种简易双面适用于不规则透镜的双面抛光机使用特定的结构并结合小磨头实现了对不规则透镜的双面抛光。专利cn201610991703.4公开了一种磁流变双面抛光装置，结合磁流变方法，通过改变磁场作用和区域尺寸和形状、磁流变输送带尺寸等以适应不同口径平面或曲面元件的双面抛光，但此方法需要根据透镜面形制作不同形状的磁盒及工作磁铁，实现条件苛刻且成本较高。综上，上述装置或方法大多偏向于实现双面抛光的装置或系统，均未体现磨具和透镜之间的关系且对光学元件抛光效率的提升效果有限。


技术实现要素：

5.针对上述方法存在的抛光方法复杂、抛光过程繁琐及抛光效率低的问题。本发明提出一种可高效抛光光学透镜的双面抛光方法。本发明提出的方法简单，在透镜双面分别布置相应的抛光磨具，通过控制磨具面形及磨头运动轨迹既即可实现光学透镜的高效超精密抛光。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种光学透镜双面抛光方法，该双面抛光方法通过在透镜上下位置设置磨具，在抛光过程中磨具贴合透镜上下表面往复摆动，产生相对运动去除表面材料，实现透镜上下表面同时抛光。所述的光学透镜双面抛光方法，其中光学透镜包括双凸型、双凹型和凹凸型透镜，具体包括以下步骤：
8.第一步：选取曲率半径大于514.92mm的待抛光透镜，将待抛光透镜放置于上下磨具中间位置。上下磨具远离透镜的端部分别与万向节连接，万向节与摆杆连接。
9.第二步：调整位置保证透镜上下表面与上下磨具内表面相贴合或接触，调节透镜上下磨具上的加载压力，压紧透镜，进行摆动加工。
10.第三步：设置透镜上下磨具一定转速，同时抛光透镜上下表面：抛光过程中磨具的运动包括上下磨具的自身转动和上下磨具整体往复摆动，其中上下磨具的自身转动由电机带动完成，上下摆杆通过万向节带动上下磨具以相反方向摆动(进而完成其相对于待抛光透镜的圆轨迹摆动)。抛光过程中，磨具中间部位去除材料的速率相对于边缘较低，上下摆杆带动透镜上下磨具的摆动可以增加材料去除的均匀性。另外，抛光过程中的采用通过磨具中心供液方式或外部滴液方式进行抛光液供给。
11.第四步：为减少上下磨具转速不同导致的透镜上下表面去除材料不均匀性，在上下表面曲率半径一致的条件下，可以将透镜翻面加工或调整上下磨具转速。
12.第五步：通过以上过程，直到完成抛光过程。
13.进一步的，所述的磨具与透镜表面接触类型包括面接触或点接触，为避免透镜表面材料去除布不均匀，抛光过程中针对不同接触类型，磨具相对不同类型透镜的运动设置要求不同：对于面接触类型的上下磨具(如双凸型球面透镜上下磨具)，设置上磨具转速为8rpm，下磨具转速为30rpm，摆动加工过程中设置磨具中心与透镜中心的距离约为透镜口径的1/3。对于点接触类型的上下磨具(如球型磨头磨具10)，设置上下磨具转速为250rpm，摆动加工过程中保持恒定接触压力，抛扫过透镜整体表面。
14.进一步的，所述的透镜根据表面形状不同，分为双凸型、双凹型和凹凸型透镜三种类型，在此基础之上根据透镜表面曲率特点可分为球面透镜和非球面透镜。所述双面抛光方法针对口径为50
‑
300mm的球面及非球面透镜，设置有与待抛光透镜表面形状特点相适应的抛光磨具：其中，非球面透镜仅可以使用球型磨头磨具10、平面圆盘磨具18进行抛光；球面透镜根据面型特点可以分别使用弧面圆盘磨具7、球型磨头磨具10和平面圆盘磨具18、上下覆盖型磨具(上下覆盖型指上下磨具能够包裹住透镜)进行抛光。如双凸型球面透镜6、凹凸型球面透镜14，双凹型球面透镜17，磨具可采用全部贴合透镜上下表面，整体去除透镜表面材料的上下覆盖型磨具4、5、12、13、16、17，同时也可以组合使用弧面圆盘磨具7、球型磨头磨具10和平面圆盘磨具18。
15.一种双凸型透镜的双面抛光方法，抛光过程中使用的磨具与透镜表面可分为点接触或面接触，当透镜表面为非球面时只可使用点接触类型磨具(如球型磨头磨具10和平面圆盘磨具18)，透镜表面为球面时点接触类型磨具或面接触类型磨具均可采用。包括以下步骤：
16.第一步：选取曲率半径大于514.92mm的待抛光双凸球面透镜6，将待抛光双凸球面透镜6放置于双凸型球面透镜上下磨具4、5的中间位置。
17.第二步：调整位置，保证双凸球面透镜6上下表面与两个双凸型球面透镜磨具7内表面相贴合，调节双凸型球面透镜上下磨具4、5上的加载压力，压紧双凸球面透镜6，摆动加工过程中设置磨具中心与透镜中心的距离约为透镜口径的1/3。
18.第三步：设置双凸型球面透镜上磨具4转速为8rpm，双凸型球面透镜下磨具5转速为30rpm，上下摆杆1、3通过万向节2带动双凸型球面透镜上下磨具4、5以相反方向摆动，一
般设置抛光时间为5min，同时抛光双凸球面透镜6上下表面。
19.第四步：抛光过程中，透镜中间部位去除材料的速率相对于透镜边缘较低，上下摆杆1、3带动双凸型球面透镜上下磨具4、5的摆动可以增加材料去除的均匀性。为减少双凸型球面透镜上下磨具4、5转速不同导致的双凸型球面透镜6上下表面去除材料不均匀性，在上下表面曲率半径一致的条件下，可以将双型球面透镜6翻面加工，一般翻面加工6次时，上下表面就可以达到均匀性要求。另外，还可以相反调整双凸型球面透镜上下磨具4、5转速：设置双凸型球面透镜上磨具4转速为30rpm，双凸型球面透镜下磨具5转速为8rpm，设置抛光时间为5min，提高抛光双凸型球面透镜6上下表面的材料去除均匀性。
20.第五步：通过以上过程，直到完成抛光过程。
21.一种凹凸型透镜的双面抛光方法，抛光过程中使用的磨具与透镜表面可分为点接触和面接触，当透镜凹面为非球面时只可使用点接触类型磨具(如球型磨头磨具10)，透镜凹面为球面时点接触类型磨具或面接触类型磨具均可采用。包括以下步骤：
22.第一步：首先将凹面曲率半径大于凸面曲率半径的待抛光凹凸型透镜14同心安装于圆形保持环8内，保持环8的外圈与轴承9内圈过盈配合用于保证保持环8和凹凸型透镜14相对于轴承9内圈转动。再将待抛光凹凸型透镜14放置于上下磨具中间位置。
23.第二步：调整位置，保证凹凸型透镜14上下表面与两个上下磨具的内表面相接触或点接触，调节凹凸型透镜上下磨具上的接触压力，摆动加工过程中保持恒定接触压力，面接触或点接触形式抛扫过透镜整体表面。其中，点接触加工时为保证一定材料去除速率和均匀性，加工过程中磨具轴线与透镜接触点切线呈25
°
。
24.第三步：设置上磨具转速为8rpm，下磨具转速为30rpm，上下摆杆1、3通过万向节2带动双凹型透镜上下磨具以相反方向摆动，一般设置抛光时间为5min，同时抛光凹凸型透镜14上下表面。
25.第四步：抛光过程中，透镜中间部位去除材料的速率相对于透镜边缘较低，上下摆杆1、3带动上下磨具的摆动可以增加材料去除的均匀性。为减少上下磨具转速不同导致的凹凸型透镜14上下表面去除材料不均匀性，相反调整凹凸型球面透镜上下磨具12、13转速，设置凹凸型球面透镜透镜上磨具12转速为30rpm，凹凸型球面透镜透镜下磨具13转速为8rpm，设置抛光时间为5min，提高抛光凹凸型透镜14上下表面的材料去除均匀性。
26.第五步：通过以上过程，直到完成抛光过程。
27.一种双凹型透镜的双面抛光方法，抛光过程中使用的磨具与透镜表面可分为点接触和面接触，当透镜表面为非球面时只可使用点接触类型磨具(如球型磨头磨具10)，透镜凹面为球面时点接触类型磨具或面接触类型磨具均可采用。包括以下步骤：
28.第一步：首先将一定口径的待抛光双凹型透镜17同心安装于圆形保持环8内，保持环8的外圈与轴承9内圈过盈配合，用于保证保持环8和双凹型透镜17相对于轴承9内圈转动。再将待抛光双凹型透镜17放置于上下磨具中间位置。
29.第二步：调整位置，保证双凹型透镜17上下表面与两个上下磨具内表面相贴合，调节双凹型透镜上下磨具上的接触压力，摆动加工过程中保持恒定接触压力，面接触或点接触形式抛扫过透镜整体表面。其中，点接触加工时为保证一定材料去除速率和均匀性，加工过程中磨具轴线与透镜接触点切线呈25
°
。
30.第三步：设置上磨具转速为8rpm，下磨具转速为30rpm，上下摆杆1、3通过万向节2
带动双凹型透镜上下磨具以相反方向摆动，一般设置抛光时间为5min，同时抛光双凹型透镜17上下表面。
31.第四步：抛光过程中，透镜中间部位去除材料的速率相对于透镜边缘较低，上下摆杆1、3带动上下磨具的摆动可以增加材料去除的均匀性。为减少上下磨具转速不同导致的双凹型透镜17上下表面去除材料不均匀性，在上下表面曲率半径一致的条件下，可以将双凹型透镜17翻面加工，一般翻面加工6次时，上下表面就可以达到均匀性要求。
32.第五步：通过以上过程，直到完成抛光过程。
33.进一步的，当透镜与上下磨具内表面为面接触时，上下磨具内表面设置抛光垫，抛光过程中与透镜表面直接接触。
34.本发明的有益效果为：针对非平面透镜上下表面抛光加工存在效率较低的情况，本发明利用上下抛光磨具贴合透镜上下表面同时抛光的方法；同时为了消除去除不均匀的问题，抛光过程中采用磨具摆动加工和工件翻面抛光的方法，实现高效率的非平面透镜的双面高精度加工，且该方法可以应用于不同类型透镜的双面抛光。
附图说明
35.图1(a)为抛光球面透镜过程示意1；
36.图1(b)为抛光球面透镜过程示意2；
37.图2为抛光双凸型球面透镜示意；
38.图3为抛光双凸型非球面透镜示意；
39.图4为抛光凹凸型球面透镜示意；
40.图5为抛光双凹型球面透镜示意；
41.图6为小型组合磨具抛光双凸型非球面透镜示意；
42.图7为小型组合磨具抛光凹凸型非球面透镜示意；
43.图8为小型组合磨具抛光双凹型非球面透镜示意；
44.图中：1上摆杆；2万向节；3下摆杆；4双凸型球面透镜上磨具；5双凸球面透镜下磨具；6双凸型球面透镜；7弧面圆盘磨具；8保持环；9轴承；10球型磨头磨具；11双凸型非球面透镜；12凹凸球面透镜上磨具；13凹凸球面透镜下磨具；14凹凸型球面透镜；15双凹型球面透镜上磨具；16双凹型球面透镜下磨具；17双凹型球面透镜；18平面圆盘磨具；19凹凸型非球面透镜；20双凹型非球面透镜。
具体实施方式
45.下面结合附图对本发明做进一步说明。为了提高光学透镜抛光效率，结合现有抛光技术的优缺点，本发明提出一种光学透镜双面抛光方法。下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
46.一种光学透镜双面抛光方法，该双面抛光方法通过在透镜上下位置设置磨具，在抛光过程中磨具贴合透镜上下表面往复摆动，产生相对运动去除表面材料，实现透镜上下表面同时抛光。所述的磨具包括分别与电机连接的上磨具、下磨具，待抛光透镜位于上磨具和下磨具的中间位置，上下磨具分别贴合待抛光透镜上下表面，且上下磨具远离透镜的端部分别与上下万向节2连接，万向节2与上下摆杆1、3连接。抛光过程中磨具的运动包括上下
磨具的自身转动和上下磨具整体往复摆动，其中上下磨具的自身转动由电机带动完成，摆杆通过万向节带动上下磨具完成其相对于待抛光透镜的圆轨迹摆动。且抛光过程中的采用通过磨具中心供液方式或外部滴液方式进行抛光液供给。
47.实施例1
48.如图1抛光球面透镜过程示意所示，针对双凸型球面透镜6，采用双凸型球面透镜上下磨具4、5对其进行双面抛光。将双凸型球面透镜6直接放置于双凸型球面透镜上下磨具4、5的中间位置，调整位置保证双凸型球面透镜6上下表面与双凸型球面透镜上下磨具4、5内表面相贴合，再通过双凸型球面透镜上下磨具4、5的转动，对透镜表面材料进行连续去除，达到双凸球面透镜6的双面抛光。
49.如图2、3所示，当上下磨具采用弧面圆盘磨具7或球型磨头磨具10时，需要将双凸型球面透镜6同心安装于圆形保持环8中，所述保持环8与轴承9内圈过盈配合，此结构为保证保持环8和双凸球面透镜6可以相对于轴承9内圈转动。抛光过程中的运动包括双凸型球面透镜上下磨具4、5的自身转动和上下摆杆1、3通过万向节2带动双凸型球面透镜上下磨具4、5的摆动，其中双凸型球面透镜上下磨具4、5的自身转动由电机带动完成，万向节2与双凸型球面透镜上下磨具4、5端部连接，以完成双凸型球面透镜上下磨具4、5相对于双凸球面透镜6的圆轨迹摆动。
50.为防止上下抛光磨具4、5运动过程干涉，抛光过程采用双凸型球面透镜上下磨具4、5相反方向摆动。同时对于待加工双凸球面透镜的曲率半径有一定要求，该透镜上下表面曲率半径均需要大于514.92mm。其中双凸型球面透镜上下磨具4、5内表面设置有抛光垫，抛光过程中与透镜表面直接接触。采用在通过磨具中心供液方式和外部滴液方式进行抛光液供给。
51.如图6所示，针对双凸型非球面透镜11，还可以采用平面圆盘磨具18进行双面抛光。另外也可以使用球型磨头磨具10抛光双凸型非球面透镜11。
52.针对双凸型球面透镜的双面抛光方法，介绍详细步骤如下：
53.第一步：选取曲率半径大于514.92mm的待抛光双凸球面透镜6，将待抛光双凸球面透镜6放置于双凸型球面透镜上下磨具4、5中间位置。
54.第二步：调整位置保证双凸球面透镜6上下表面与两个双凸型球面透镜磨具7内表面相贴合，调节双凸型球面透镜上下磨具4、5上的加载压力，压紧双凸球面透镜6，摆动加工过程中设置磨具中心与透镜中心的距离约为透镜口径的1/3。
55.第三步：设置双凸型球面透镜上磨具4转速为8rpm，双凸型球面透镜下磨具5转速为30rpm，上下摆杆1、3通过万向节2带动双凸型球面透镜上下磨具4、5以相反方向摆动，一般设置抛光时间为5min，同时抛光双凸球面透镜6上下表面。
56.第四步：抛光过程中，透镜中间部位去除材料的速率相对于透镜边缘较低，上下摆杆1、3带动双凸型球面透镜上下磨具4、5的摆动可以增加材料去除的均匀性。为减少双凸型球面透镜上下磨具4、5转速不同导致的双凸型球面透镜6上下表面去除材料不均匀性，在上下表面曲率半径一致的条件下，可以将双型球面透镜6翻面加工，一般翻面加工6次时，上下表面就可以达到均匀性要求。相反调整双凸型球面透镜上下磨具4、5转速：设置双凸型球面透镜上磨具4转速为30rpm，双凸型球面透镜下磨具5转速为8rpm，设置抛光时间为5min，提高抛光双凸型球面透镜6上下表面的材料去除均匀性。
57.第五步：通过以上过程，直到完成抛光过程。
58.实施例2
59.如图4所示，针对凹凸型球面透镜14，采用凹凸球面透镜上下磨具12、13进行抛光，抛光过程与实施例1相似；也可以采用平面圆盘磨具18和球型磨头磨具10组合形式抛光凹凸型球面透镜14。采用平面圆盘磨具18和球型磨头磨具10时，需要将凹凸球面透镜14同心安装于圆形保持环8中，保持环8与轴承9内圈过盈配合，此结构为保证保持环8和凹凸型球面透镜14可以相对于轴承9内圈转动。调整位置保证凹凸型球面透镜14上下表面与平面圆盘磨具18和球型磨头磨具10表面点接触，再通过凹凸型球面透镜上下磨具12、13的转动，对透镜表面材料进行连续去除，达到凹凸型球面透镜14的双面抛光。
60.针对凹凸型球面透镜14，采用该方法时需特殊注意透镜凹型表面的曲率半径需大于凸型表面曲率半径。同时凹凸型球面透镜14也可采用平面圆盘磨具18、球型磨头磨具10和弧面圆盘磨具7。如图7所示，在凹凸型非球面透镜19的凸面采用平面圆盘磨具18抛光，凹面采用球型磨头磨具10抛光。
61.针对凹凸型透镜的双面抛光，介绍详细步骤如下：
62.第一步：选取凹面曲率半径大于凸面曲率半径的待抛光凹凸型透镜14，将待抛光凹凸型透镜14放置于上下磨具中间位置。需要将凹凸型透镜14同心安装于圆形保持环8中，此结构为保证保持环8和凹凸型透镜14可以相对于轴承9内圈转动。
63.第二步：调整位置保证凹凸型透镜14上下表面与凹凸型球面透镜上下磨具12、13内表面相接触，调节凹凸型透镜上下磨具12、13上的接触压力，摆动加工过程中保持恒定接触压力，面接触或点接触形式抛扫过透镜整体表面，点接触加工时为保证一定材料去除速率和均匀性，加工过程中磨具轴线与透镜接触点切线呈25
°
。
64.第三步：一般设置凹凸型透镜上磨具转速为8rpm，凹凸型透镜下磨具转速为30rpm，上下摆杆1、3通过万向节2带动双凹型透镜上下磨具以相反方向摆动，一般设置抛光时间为5min，同时抛光凹凸型透镜14上下表面。
65.第四步：抛光过程中，透镜中间部位去除材料的速率相对于透镜边缘较低，上下摆杆1、3带动凹凸型球面透镜上下磨具12、13的摆动可以增加材料去除的均匀性。为减少凹凸型球面透镜上下磨具12、13转速不同导致的凹凸型透镜14上下表面去除材料不均匀性，相反调整凹凸型球面透镜上下磨具12、13转速，设置凹凸型球面透镜上磨具12转速为30rpm，凹凸型球面透镜下磨具13转速为8rpm，设置抛光时间为5min，提高抛光凹凸型透镜14上下表面的材料去除均匀性。
66.第五步：通过以上过程，直到完成抛光过程。
67.实施例3
68.如图5所示，针对双凹型球面透镜17，可以采用双凹型球面透镜18上下磨具15、16进行抛光，抛光过程与实施例1相似；如图8所示，针对双凹型球面透镜17，也可以采用看上下球型磨头磨具10组合形式抛光双凹型非球面透镜20。采用上下球型磨头磨具10时，需要将双凹型非球面透镜20同心安装于圆形保持环8中，保持环8与轴承9内圈过盈配合，此结构为保证保持环8和双凹型非球面透镜20可以相对于轴承9内圈转动。调整位置保证双凹型非球面透镜20上下表面与上下球型磨头磨具10表面点接触，再通过上下球型磨头磨具10的转动，对透镜表面材料进行连续去除，达到双凹型非球面透镜20的双面抛光。
69.针对双凹型透镜的双面抛光，介绍详细步骤如下：
70.第一步：选取一定口径的待抛光双凹型非透镜20，将待抛光双凹型非球面透镜20放置于上下磨具中间位置。需要将双凹型非球面透镜20同心安装于圆形保持环8中，此结构为保证保持环8和双凹型非球面透镜20可以相对于轴承9内圈转动。
71.第二步：调整位置保证双凹型非球面透镜20上下表面与两个上下球型磨头磨具10相接触，调节双凹型透镜上下球型磨头磨具10上的接触压力，摆动加工过程中保持恒定接触压力，面点接触形式抛扫过透镜整体表面，点接触加工时为保证一定材料去除速率和均匀性，加工过程中磨具轴线与透镜接触点切线呈25
°
。
72.第三步：设置上下球型磨头磨具10转速为250rpm，透镜转速为65rpm，上下摆杆1、3通过万向节2带动上下球型磨头磨具10以相反方向摆动，设置抛光时间为5min，同时抛光双凹型非球面透镜20上下表面。
73.第四步：抛光过程中，透镜表面球型磨头磨具10中间部分和外圆部分扫掠时间基本一致，透镜中间部位去除材料的速率相对于透镜边缘较高，上下摆杆1、3带动上下球型磨头磨具10的摆动可以增加材料去除的均匀性。减少中间位置球型磨头磨具10扫掠时间可增加抛光均匀性，一般在透镜口径1/5内减少球型磨头磨具10扫掠时间。
74.第五步：通过以上过程，直到完成抛光过程。
75.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。