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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环型平面研磨抛光机。

图六 a.JP560环抛机示意图

图六 b.JP560环抛机

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图六 c.HPM100环型平面研磨抛光机

3、 低速环型抛光法

高精度的平面(如平晶或薄型平面)适合用低速环型抛光法。这种方法也是母板复制法,

由于工作母板(柏油抛光盘)具有可塑性,是边抛光边修正的,校正板起保持与修正作用,而速

度、压力也起保持与修正作用.

⑴ 低速环抛法的原理

根据 Preston抛光方程.对工件平面上任意一点 M(x,y)(图七)的抛光量 h(x,y)为

h(x,y)=A∫T

O P(x,y)V(x,y)dt

图七 低速环抛的原理

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式中,P－M(x,y)点的瞬时压强

V(x,y)－M(x,y)点的瞬时速度

T－加工时间

A－与加工过程有关的工艺系数

V－(x,y)作如下分析:

21),( vvyxv −= , V 1 =R iω 1 , V 2 =r iω2

其瞬时速度中心在 M 0时, → V 1 (x,y)=0, V 1 = R 0ω

1 , V 2 =(R 0 +e)ω2,

∴ 21

20 ωω

ω−

= eR

当ω1→ω2时，当 R 0→∞，产生平动，速度趋于均匀。

当推动平面的着力点接近接触面时，压力也趋于均匀，从而获得了均匀抛光（磨损）的条件。

热变形是精密加工时要关注的问题，由于抛光热使平行平面工件产生厚度方向的温度线

性分布，用△t表示，设工件外经为 D，厚度为 d，工件材料的热膨胀系数为α，则平面变

成球面性变形，球面的矢高为 h，则

h=D2α△t/8d

如工件材料采用微晶玻璃或石英玻璃，则热变形很小。

⑵ 低速环型抛光法的工艺参数及工艺装备

以浙江大学 1984年机械部签定通过的 RP-1000环型抛光机（图八 a），南京利生光学机

械责任有限公司 HPM150型环型机是低速环抛机（图八 b）为例讨论参数。

图八 a、RP-1000环型抛光机

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图八 b HPM150型环型抛光机

① 环型抛光模：抛光模环带宽度通常为抛光模直径的 0.33～0.38,抛光模底盘用铝合金

或花岗岩制成，在抛光机上通过端面车削后即可制作柏油模，模层厚度 10～20mm之间，抛

光胶中通常加入 K－17塑料粉，以增加韧性与稳定性，抛光模应加制不通过中心的方格槽，

抛光模通过车削或其他方法进行修整。如果采用玻璃或花岗岩作衬底，则模层厚度可以大大

减薄。

② 校正板：可以用熔融石英、微晶玻璃，K4及 K9玻璃制作，也有用金属盘贴以玻璃来代

替整块玻璃制成校正板。校正板直径通常为抛光模直径的 1/2～2/3，通常取 0.6。

③ 工件夹持器：可以用玻璃分离器，也可以用金属贴以玻璃制成工件夹持器。

④ 转速：主轴速度在精抛时为 10～15cm/s之间，速度精度为 1%，这时ω1 与ω2接近。

当然，也可以在校正盘卡轮上加装马达，以驱动校正盘的旋转，使ω2趋近ω1。

⑤ 抛光液：采用点滴式加入氧化铈抛光液，或采用浸没式抛光（BFP），后者有利于温度控

制，最好采用离子水，控制 PH值。

⑥ 温度：室内温度为 23℃～25℃，最重要的是室内温度梯度（空间）与温度变化（时间）

的控制，通常用局部自动温控在±0.05℃内。

⑦ 校正板工件（工件夹持器）装御器：我们设计了一台特殊的推车，高度可以调整，

并带有一组带橡皮圈的滚柱，装御很发方便。

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我国几个主要单位的 1m环抛机主要工艺参数对照表如表 1所示。

表 1 我国 1m环抛机主要工艺参数对照表

单 位 No.1 No.2 No.3 No.4 No.5

抛光模直径

（米） 1.0 1.09 1.1 1.0 1.0

抛光模表面

不平度（mm） 0.01 车后未测 0.005 0.03 0.01

抛光模转动时

水平度（mm/m） 未测 0.1～1 0.2～0.3 0.06 0.05

抛光胶配方 0#（1∶3）

+10%K17 2#或 1.75

#

1∶2

（玉门 3号）

+6%K17

1∶3.5

(独山子)

+3%K17

1∶3

(独山子 5#)

+5%K17

抛光胶软化点

（℃） 70～80 80～85 80～85

（针入度

11～12）

抛光胶层厚度

（mm） 17～18 12 7 15 16

主轴转速

（rpm） 1～2 1～1.5 1 0.5～1 1

校正板尺寸

（材料） ø590X78

（K9） ø630 ø600X60

ø500X80

（K4）

ø500X70

（K4）

室温（℃） 夏 26°，

冬 23°

21°22°

±0.5° 25°～26°

⑶ K17的作用

K17 是塑料的商业牌号，就是聚乙烯醇，呈粉末状，色白。聚乙烯醇没有一定的熔

点，加热时软化，拉伸又重新结晶，有着明显的纤维圈。温度高于 71±0.2℃时热膨胀系数

大，重复加热出现滞后现象。在抛光模中增加韧性，提高切削性能；提高稳定性，低于 60℃

时（抛光的工作温度低于 30℃～40℃）不会变形。而高于 71℃时易变形。

⑷ 制胶与制模工艺

180°配胶，140℃保温，100℃加 K17（有的单位 70～80℃时加 K17），40～50℃倒

胶制模（底模预热到 40～50℃），自然冷却、固化，车平开槽，一般为 25X25，宽 5，深 4，

（美国宽 4，深 6），50℃温水修模，用校正板与工件夹持器修平，有时用工具（刮刀、砂轮）

作局部修正。

⑸ 环型抛光法的优点

①、环型抛光模比圆盘型抛光模的相对速度工均匀，当ω1→ω2时工件与抛光模之间

相当于直线匀速运动。

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②、用校正板与夹持器代替分离器，仍保持了分离器的作用，当工件尺寸或形状改变

时，只要改变夹持器即可，不必加工一个高精度大分离器。

③、允许在不停机、不取下校正板与夹持器的情况下进行检验或调换工作，维持连续

抛光，有利于提高效率与温度的平衡，保持抛光模的平面性。

④、抛光模表面各部分依次外露，使之散热容易。

⑤、抛光模露出的空间位置固定，易于实现自动抛光与自动加水。

4、 分离器抛光法

在二轴杠杆式抛光机上用分离器抛光法（图九 a）实现高精加工平面是比较简便的

方法。我们在 YM015.2A 型二轴机上安装了二个蟹钳式分离器摆架(图九 b),主轴 1.5～

20rpm,摆 2～25rpm(变频无极调速),抛光模铝底模直径为 ø500,水盆 ø530,分离器

ø400,通常 D 抛=1.25D 分.当工件为ø150时,一只分离器可以有三个分离孔，同时加工三

块ø150平晶。为了操作方便，摆架应有抬起功能，推动分离器的滚轮的着力点应在滚

轮的下部。

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图九 b.

5、 双面抛光法

双面抛光法适用于平行度要求高的薄片,如石英波片、滤光片、平行平面窗等，行

星式双面研磨抛光机使用很广泛,太多引进国外机床,国内风雷机械厂有这类机床产品.

通常上下抛光模用聚氨酯制造,中间工件隔离圈用聚四氟乙烯薄板或有机玻璃板、PVC

板制造,利用工件在分离器孔的位置互换使工件的平行度得到修正,工件的平面性主要

是抛光模的轮廓复制,要求高时仍要做微量修正，实际上,在二轴机上采用档圈也可以实

现双面抛光,不仅可以加工平行平面,还可以加工小圆柱棒,图十是二轴机双面精磨与抛

光示意图。

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(二) 、计算机控制抛光与离子抛光

计算机控制抛光(CCP)是利用小抛光头在工件上作局部抛修运动,边检边修,再过几个

循环,使平面达到很高的精度,离子抛光与 CCP类似,把小抛光头换成离子束就成了离子抛光,

离子抛光不仅提高了面形精度,而且改善了表面粗糙度。计算机控制抛光在浙江大学、北京

理工大学、长春光机所与成都光学工程中心等均先后开展这项研究工作,后者还从俄罗斯引

进了 CCP三轴与五轴抛光机,加工出不少高精度平面.离子抛光在国内仍属空白.图十一 a是

浙大 CCP实验装置图十一 b俄罗斯国立光学研究所的大型计算机控制抛光机。

图十一 a.浙江大学试验装置

图十一 b.俄罗斯国立光学研究所的大型计算机控制抛光机

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(四) 、单点金刚石飞切光学平面

美国 Pneumo Inc. 生产的 MSG-325 金刚石车床用飞切方法加工过 ø170mm KDP 晶体高

精度平行平面,用作倍频器;香港理工大学、云南光仪厂等单位的 Nanoform300也可以实现平

面的飞切.

我国为了解决 270X270及 310X310mmKDP平面加工问题，近年引进了俄国 NCM-600立式

飞切平面机床(图十二)

图十二.俄国 NCM-600立式飞切平面机床

加工工件直径可达ø550mm,其工作原理为单点金刚石飞刀高速旋转,形成一个圆的轨迹，工

作台的直线运动,使单点包络成一个平面,平面的精度主要取决于机床运动的超精密度.主轴

跳动:0.05ｕm，主轴刚性：200N/um，导轨的直线性 0.1um/250mm,在这个机床上已经加工出

ø270KDP 平面,透过波面达 λ/2(PV)精度,在此基础上我国将开始研制这种机床,技术指标

将超过 NCM-600的水平。 (五) 、棱镜的大批量生产

对于中等精度或低精度棱镜的大批量生产通常都是成条抛光,然后用内圆切割机割开,

如棱镜尺寸小时可以用高速排条锯割开,一次可以同时切割多只棱镜.棱镜的精磨抛光可以

用金属夹具上盘,一个夹具可以加工一个面(图十三)或三个面(图十四).

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(六)高精度棱镜的加工方法

高精度棱镜的批量生产通常采用组合光胶法.图十五为用长方体与平行平面光胶板组

合光胶加工直角屋脊棱镜屋脊角的例子.

四、 光学平面的检测

平面的面形检测除用样板看光圈、菲索干涉仪看干涉条纹以外特别推荐下列测量方法

1、 平面面形快速测量法

在立柱式干涉仪上当主光线向上出射时,工件被检面可以放在测环上测量,定位面

就是被检面,这样就可以连续测量,不需要重新调整工件位置,如图十六为宁波华光精密

仪器有限公司生产的数字干涉仪，图十六 b为该仪器的测试报告，测试报告与同类国外

仪器的测试跑高的不同点在于多了 N、△N的参数数据。

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图十六 a.宁波华光精密仪器有限公司 CQG-II车间数字干涉仪(仪器全貌)

图十六 b.宁波华光精密仪器有限公司 CQG-II车间数字干涉仪的测试报告

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2、 ø 150平面干涉仪的数字化

国内最普通的平面干涉仪是ø150平面干涉仪,光路由上而下,这类仪器只要装上适

当附件(PZT 扫描器)很容易实现数字化,图十七为浙江大学与上海星庆光仪公司研制成

功并用于生产的 XQ15-GⅡø150平面数字干涉仪。

图十七. ø150平面数字干涉仪及测试报告

3、 微小平面的透过玻面畸变测量

ø4～ø1mm平面的测量可在 CQG-II型干涉仪加上 4X或 8

X放大镜就可实现(图十八 a).

图十八 a.微小平面的透过波面畸变测量原理

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图十八 b 为上海光和玻璃制品有限公司用 CQG-II 干涉仪测量 ø3.6mm 平面窗的透过面

畸变以监控承尘的产品质量，该仪器已获得日本客户的认可。

图 18b. ø3.6mm平面窗的透过面畸变测量结果

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4、 特大平面的面形测量

可以采用干涉仪的康蒙方法来实现，图十九表示在干涉仪上测量标准凹球面,在凹

球面光路中 45°方向放入被检平面,对 O′点作无象差点进行干涉测量，对干涉条纹所

判读的误差即为被检平面的面形误差,这就是康蒙方法在干涉仪中的应用。

结论

近年来我国的光学平面加工技术、机床及检测方法与设备的发展已趋于完善,能够

基本满足生产与科研的需求,超高精度机床、特殊加工机床及其加工技术仍有待进一步

研究与发展.

参考文献

1).曹天宁 “平面零件加工工艺”,光学技术手册(下册)P122-144，机械工业出版社，1994 2).南京利生光学机械（LOM）有限责任公司产品样本 3).南京仪机股份有限公司产品样本 4).上海星庆光学仪器有限公司产品样本