王 哲，徐學(xué)科，邵建達，頓愛歡，楊明紅，范永濤，方媛媛，高文蘭, 劉 方

(1.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機械研究所，上海 201800;2.上海恒益光學(xué)精密機械有限公司，上海 201800;3.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430000)

大型環(huán)拋機蠟盤平面度的測量

王 哲1,2*，徐學(xué)科1,2，邵建達1,2，頓愛歡1,2，楊明紅1,2，范永濤1，方媛媛1,2，高文蘭1,2, 劉 方3

(1.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機械研究所，上海 201800;2.上海恒益光學(xué)精密機械有限公司，上海 201800;3.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430000)

針對大口徑平面光學(xué)元件全頻譜面形技術(shù)指標的高效率、高精度收斂，研究了環(huán)形拋光技術(shù)?？紤]環(huán)拋機瀝青蠟盤的平面度直接影響工件面形的收斂效率，本文利用準直激光束作為參考，設(shè)計研制了測量精度高，重復(fù)性精度達到±1 μm的大型環(huán)拋機拋光蠟盤平面度測量專用裝置。分析了環(huán)拋過程中蠟盤表面平面度和工件面型PV值之間的變化規(guī)律和相關(guān)性，根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出了蠟盤平面度數(shù)據(jù)和工件面形的對應(yīng)關(guān)系。實驗顯示：當平面度和面形曲線相差較大時，工件面形可快速收斂至1λ左右，并由粗拋向精拋工序快速過渡。提出的大型環(huán)拋機拋光蠟盤平面度監(jiān)測裝置實現(xiàn)了對濕滑膠體平面的高精度、快速測量，為環(huán)拋的確定性拋光工藝提供了重要的技術(shù)支持。

環(huán)形拋光；大型環(huán)拋機；拋光蠟盤；平面度測量

1 引 言

磷酸鹽激光釹玻璃光元件在高功率激光系統(tǒng)中起到增益介質(zhì)的作用，是慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion,ICF)激光驅(qū)動器中的關(guān)鍵元件之一[1-2]。激光釹玻璃的加工難度源于釹玻璃自身化學(xué)穩(wěn)定性差、尺寸大、徑厚比大、表面加工質(zhì)量精度要求高，而且要求在高、中、低頻波前畸變范圍內(nèi)均要達到特定值[3]，目前只有環(huán)拋技術(shù)可實現(xiàn)全頻譜達標。它是ICF激光驅(qū)動器中加工難度最高的平面光學(xué)元件之一[2]。在大型環(huán)拋中，普遍采用瀝青作為拋光模材料[4,5]。而瀝青膠盤的面形會直接體現(xiàn)到工件面形上，所以對瀝青蠟盤平面度的監(jiān)測就變得尤為重要。

目前，大型平面的平面度測量方法很多，主要有水平儀法、自準直儀法、光軸法[6]、多測頭誤差分離法，還有干涉條紋拼接法[7]、衍射平面基準法[8]、三坐標機測量法等方法。這些測量方法均不能滿足濕滑表面的快速測量，而且要想達到高精度比較困難。瀝青蠟盤表面平面度受溫度和濕度的影響很大[9]，當環(huán)拋機停止工作后，蠟盤表面的溫度和濕度會隨時間的增加而降低，蠟盤的表面形貌也隨之發(fā)生變化[10,11]，此時一臺能夠快速準確測量蠟盤平面度的設(shè)備則顯得必不可少。蠟盤平面度的實時測量，能有效監(jiān)控蠟盤形貌的變化趨勢，使得環(huán)拋工件面形收斂率大大提升，從粗拋時的十幾個波長快速收斂至小于一個波長，從而降低了成本，提高了效率。

基于以上論述，本文研制出一種大型環(huán)拋機拋光蠟盤平面度監(jiān)測裝置，對實際生產(chǎn)起到了指導(dǎo)作用，填補了此技術(shù)的空白。

2 原理介紹

測量平面的平面度時，首先要找到合適的基準面作為參考面[12]，本文選擇光沿直線傳播作為參考，以測量得到的曲線和參考光線進行對比。

圖1所示為平面度測量儀的測量原理圖。由激光器發(fā)射的激光束照射到光電位置探測器的CCD上，光斑的位置可以間接反映出蠟盤表面的形貌。光電位置探測器沿直線導(dǎo)軌在被測量表面作勻速運動，當移動到B位置時，B位置的高度信息會被記錄下來；當探測器移動到C位置時，C位置的高度信息也會被記錄下來。結(jié)合B、C位置的位移數(shù)據(jù)形成兩點的二維坐標。隨著光電位置探測器的移動，可以獲取到每一點的二維坐標，從而得到所有運動軌跡的高低起伏的信息。

圖1 平面度測量儀的原理圖Fig.1 Schematic diagram of flatness measuring instrument

3 裝置的構(gòu)成

圖2 裝置設(shè)計圖(a)及滑塊運動示意圖(b)Fig.2 Device set diagram (a) and schematic diagram of sliding block movement (b)

本裝置構(gòu)成如圖2所示，本裝置主要由激光器底座、激光器、直線導(dǎo)軌、激光束、滑塊、光電位置探測器、光電位置探測器底座等部分構(gòu)成。測量時，將激光器放置于被測表面上。選取金屬材質(zhì)滑塊，滑塊下表面經(jīng)過拋光處理，其可在被測濕滑膠體表面上平穩(wěn)滑動?；瑝K由電機驅(qū)動，運動速度可調(diào)。電機由計算機控制，可精確記錄滑塊的運動距離。滑塊上固定有光電位置探測器，探測器可接收激光信號，光信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C上。增加直線導(dǎo)軌和底座等部件后形成整個的平面度測量裝置，如圖2(a)所示。光電位置探測器隨滑塊在被測表面運動，直線導(dǎo)軌可保證其沿直線做水平運動，在豎直方向上，不應(yīng)影響到位置探測器的上下運動，所以采用如圖2(b)所示結(jié)構(gòu)。當導(dǎo)軌放置于被測表面上時，位置探測器底座高度大于導(dǎo)軌高度，所以滑塊運動時，滑塊下表面不與直線導(dǎo)軌上表面接觸，從而消除了直線導(dǎo)軌引入的誤差。為了確保激光器發(fā)出的激光束不受滑塊運動產(chǎn)生的震動的影響，激光器底座和直線導(dǎo)軌分離。而在實際使用過程中，為了便于搬運和激光束對準，將直線導(dǎo)軌前端做一缺口，將激光器底座4個側(cè)面全部做成斜面，激光器底座的垂直高度大于導(dǎo)軌高度，這樣可以使搬運過程中整個裝置合為一體，而在測量過程中則省略了激光束位置的粗調(diào)整，而且不會受導(dǎo)軌上表面起伏誤差的干擾。圖3為 φ4.4m環(huán)拋機蠟盤平面度測量實物圖。

測量時殘留在蠟盤表面的拋光液不會對測量產(chǎn)生干擾，少量拋光液反而可以使滑塊的運動更加平緩，有利于降低由運動產(chǎn)生震動引入的誤差。

圖3 環(huán)拋機平面度實際測量圖Fig.3 Actual measurement chart of flatness in continuous polishing machine

4 數(shù)據(jù)的處理方法

使用labview編寫控制及數(shù)據(jù)處理軟件，對原始數(shù)據(jù)按如圖4(彩圖見期刊電子版)所示的步驟進行處理。先對原始數(shù)據(jù)進行均值濾波[13]，得到藍色曲線。由于將激光束調(diào)整至完全水平難度很大，所以將濾波后的數(shù)據(jù)進行去除傾斜處理，得到的紅色曲線為母線方向上蠟盤的平面度數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)處理過程Fig.4 Data processing

此時，經(jīng)過濾波和去傾斜處理后的數(shù)據(jù)仍然不能反映蠟盤表面的平面度信息，所以還需要對曲線進行平滑法或者擬合法處理，得到趨勢線來指導(dǎo)環(huán)拋工藝。平滑法可以最大程度上保留數(shù)據(jù)每段的細節(jié)信息，而擬合法可以跳過局部突變只反映整體趨勢。兩種方法的結(jié)果如圖5、6所示。

由圖5可知，在數(shù)據(jù)末端有明顯的向下突變，這一段突變的長度占所測長度不足10%，對整體趨勢不會產(chǎn)生影響，所以在數(shù)據(jù)處理時采用擬合法而非平滑法。圖6顯示，每段數(shù)據(jù)的趨勢各不相同，采用擬合法形成的趨勢線與實際情況相差較大，而采用平滑法得到的趨勢線則可以很好地反映被測表面的形貌特征。

圖5 采用擬合法處理數(shù)據(jù)Fig.5 Data processed by proposed method

圖6 采用平滑法處理數(shù)據(jù)Fig.6 Data processed by smoothing method

5 數(shù)據(jù)分析與討論

將一片平面玻璃元件放置在環(huán)拋機上進行精拋，每隔6小時測量一次蠟盤表面平面度，結(jié)果如圖7所示。經(jīng)統(tǒng)計分析后可以總結(jié)出以下兩點：一、蠟盤表面平面度數(shù)值和釹玻璃面形數(shù)值的變化趨勢均為由大慢慢變小。二、兩者曲線形狀由不匹配慢慢過渡到匹配，最終同時變小直至面形合格。

通過分析曲線可以發(fā)現(xiàn)，在整個環(huán)拋時間段的前半部分，平面度和PV數(shù)值的變化率要大于后半部分，而在時間段的前半部分平面度和PV曲線形狀的不匹配度也要大于后半部分，其原因是兩者曲線形狀的不匹配，加劇了蠟盤表面和玻璃元件的對磨，使去除效率變高，從而提高了玻璃面形的收斂率。當兩者曲線形狀較為匹配后，平面度和PV數(shù)值的變化率降低，蠟盤和玻璃元件表面無序?qū)δ?，在理想狀態(tài)下最終將形成絕對平面，現(xiàn)實情況下會得到PV值較小的表面，環(huán)拋機蠟盤的平面度也隨之減小。

圖7 平面度及PV值隨時間變化趨勢Fig.7 Flatness and PV concentrations over time

在重復(fù)測量時會出現(xiàn)前段時間玻璃元件面形收斂率低的現(xiàn)象，通過觀察蠟盤平面度曲線的彎曲方向可以發(fā)現(xiàn)，當兩者彎曲方向一致時，即使不匹配度很大，玻璃元件面形的收斂率依舊會很低，所以應(yīng)通過調(diào)整環(huán)拋機的工藝參數(shù)來改變蠟盤平面度曲線的彎曲方向，以提高玻璃元件面形的收斂率，同時提高生產(chǎn)效率。

使用所研制的設(shè)備對現(xiàn)有生產(chǎn)中的環(huán)拋機蠟盤進行驗證，同時檢測環(huán)拋工件的面形。兩者的部分測量數(shù)據(jù)如圖8(彩圖見期刊電子版)和圖9(彩圖見期刊電子版)所示。在圖8(a)中，工件的光圈數(shù)大，超過兩個光圈，經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件計算得到PV值為1.37λ；圖8(b)顯示此時蠟盤的平面度差值為5 μm左右。在圖9(a)中，工件的光圈數(shù)大，約為一個光圈，經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件計算得到PV值為0.7λ；圖9(b)顯示此時蠟盤的平面度差值為3 μm左右。從圖8和圖9的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),蠟盤面形與工件面形在數(shù)值上存在對應(yīng)關(guān)系，當蠟盤平面度數(shù)值較小時，工件的PV值也較小，收斂效率快，在不同條件下重復(fù)測量的多組數(shù)據(jù)均存在這樣的規(guī)律， 此時可以發(fā)現(xiàn)工件面形的PV值與蠟盤平面度成正比的關(guān)系。從而使工件由十幾個波長迅速收斂到一個波長左右。而且本裝置還能應(yīng)用于環(huán)拋機蠟盤澆筑和修整階段，大大提高了生產(chǎn)效率。

圖8 蠟盤平面度為8 μm時，工件面形和蠟盤平面度的對照分析Fig.8 Comparison analysis of workpiece surface and pitch lap flatness with flatness of 8 μm

圖9 蠟盤平面度為3 μm時，工件面形和蠟盤平面度的對照分析Fig.9 Comparison analysis of workpiece surface and pitch lap flatness with flatness of 3 μm

在實驗中通過圖10的數(shù)據(jù)，還可以發(fā)現(xiàn)，多次重復(fù)測量時，測量數(shù)據(jù)前端(0～0.4m)的重復(fù)性較好，小于±1μm，而后端重復(fù)性精度較差，大于±1μm。主要由激光器發(fā)出的激光束的發(fā)散角不夠小或者后端空氣的擾動增加造成的，在今后的工作中可通過相應(yīng)的措施進一步的升級完善。

圖10 ?4.4 m環(huán)拋機平面度測量圖Fig.10 Measurement chart of flatness for ?4.4 m continuous polishing machine

6 結(jié) 論

本文研制了可對濕滑膠體平面進行高精度、快速測量的裝置，該裝置測量精度高，重復(fù)性精度為±1 μm。分析了環(huán)拋過程中蠟盤表面平面度和元件表面PV值之間的變化規(guī)律和相關(guān)性，根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出蠟盤平面度數(shù)據(jù)和工件面形的對應(yīng)關(guān)系，當平面度和工件面形數(shù)據(jù)曲線形狀相差大時，工件面形的收斂率高，極大地促進了環(huán)拋工藝提升，經(jīng)過精度和穩(wěn)定性的提升之后，可以為環(huán)拋確定性拋光的重要技術(shù)支持。

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Flatness measurement of pitch lap for large continuous polisher

WANG Zhe1,2*，XU Xue-ke1,2，SHAO Jian-da1,2,DUN Ai-huan1,2，YANG Ming-hong1,2，F(xiàn)AN Yong-tao1，F(xiàn)ANG Yuan-yuan1,2，GAO Wen-lan1,2，LIU Fang3

(1.ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China; 2.ShanghaiHengyiOpticalPrecisionMachineryCo.,Ltd.,Shanghai201800,China; 3.CollegeofOpticsandElectronicInformation，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430000,China) *Correspondingauthor,E-mail:wangzhe@siom.ac.cn

For the high efficient and high accuracy convergence of surface figure of a large aperture workpiece, the continuous polishing technology was investigated. As the convergence efficiency of surface figure of the workpiece was effected directly by the flatness of pitch lap in a continuous polisher, a high precision measurement equipment with repeatability accuracy of ±1 μm was designed and developed for measuring the flatness of the pitch lap. The change rules and correlation between the flatness of pitch lap and the PV value of surface figure for the workpiece were analyzed during continuous polishing, and relationship between the flatness data and the surface figure of the workpiece was obtained based on the measured data. The experiments indicate that when the diference between flatness and surface curve are larger, the shape of the workpiece is rapidly converged to about 1λ, meanwhile the polishing process transits from a rough polishing to a fine polishing. The high precision measurement equipment proposed by the paper implements precise measurement of the flatness for a large wet pitch lap and provides an important technical support for deterministic continuous polishing.

continuous polishing; large continuous polisher; pitch lap; flatness measurement

2016-10-18；

2016-11-17.

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(No.61605228)

1004-924X(2016)12-3048-06

TH703；TN305.2

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.3048

王 哲(1989-)，男，河北張家口人，碩士，助理工程師，2014年于長春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于上海光機所，主要從事光學(xué)加工及檢測技術(shù)的研究。E-mail: wangzhe@siom.ac.cn

邵建達(1964-)，男，浙江寧海人，研究員，博士生導(dǎo)師，1986年畢業(yè)于浙江大學(xué)無線電與電子工程學(xué)系，1994年6月、1998年3月于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所分別獲得光學(xué)工程碩士、博士學(xué)位，長期從事光學(xué)薄膜技術(shù)與光電信息功能薄膜的研究工作，涉及薄膜的沉積技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)以及薄膜的光學(xué)特性和物理特性的研究與發(fā)展。E-mail: jdshao@mail.shcnc.ac.cn