CN103342476B - 用于抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法，S1检测有中高频误差的光学元件表面初始面形数据；S2根据光学元件面形误差值和误差分布计算所需牺牲层的厚度及胶的浓度；S3对光学元件的表面甩胶、烘干；S4检测含有胶层的光学元件表面面形，获得胶层低频误差；S5检测含有甩厚胶层光学平面基底的面形分布构建胶层去除函数；S6利用离子束抛光去除胶层低频误差，使得胶层平滑覆盖光学元件表面的中高频误差，获得胶层平滑覆盖高频误差的光学元件；S7检测胶层平滑覆盖高频误差的光学元件的面形；S8判断光学元件表面胶层的低频误差是否被去除；S9根据胶层去除函数和胶层厚度、加工时间，对光学元件表面遍历扫描并去除胶层。

Description

用于抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法

技术领域

本发明涉及离子束抛光过程中工件装卡方法和装置，属于光刻系统光学制造技术领域。

技术背景

现代光学制造工程具有显著的极端制造特征，即在极端技术条件要求的背景下，制造极端尺度或极高功能器件或功能系统的大科学工程。我国目前正面临着完成大口径望远镜系统、纳米尺度光刻系统和高功率激光系统等典型的极端光学研制工程任务。这些系统光学元件要求口径越来越大，相对孔径越来越高，面形质量也在极大的提高。不仅是传统意义评价手段PV和RMS的提高，许多光学系统在面形中高频误差方面也有了明确的要求。

光学制造过程中，不论采用哪种技术或复合技术，一般采用大口径去除函数到小口径去除函数的工艺顺序加工，使得误差大小从高到低、频率从低到高的收敛。但在加工过程中，由于去除函数不稳定、磨盘接触不均匀、定位存在偏差等误差的因素存在，加工的面形误差不按预期收敛，镜面出现大量“碎乱”的中高频误差。尤其在超高精度加工和非球面加工的过程中，中高频误差特别明显。

在光学系统中，中频误差使光线发生小角度散射，影响像的对比度；高频误差使光线发生大角度散射，降低镜面的反射率。近年来，国内外一些学者已经意识到中高频误差抑制的重要性，开始进行相关技术的研究，在平面、球面的误差平滑过程中取得了一定的成果，但是在非球面和超高精度加工过程中，由于加工方法和加工工具空间尺寸的限制，未见有系统科学且行之有效的中高频误差消除方式。如何有效抑制加工过程中的中高频误差，提升面形精度和降低系统能量损耗，是极端光学制造亟待解决的难题。

离子束牺牲层加工方法是通过特殊的手段在光学元件表面覆盖一层薄膜，形成用于均匀去除的牺牲层。通过对不光滑的表面涂一层牺牲层，覆盖表面凹凸不平区域而使得表面平滑，然后采用离子束抛光技术对光学表面进行抛光，使涂层和不平之处的光学表面材料一起均匀去除，从而达到使光学表面平滑的目的。其实，离子束牺牲层加工技术在国外早就提出，但目前仍局限于应用在光学表面超光滑加工过程中，主要是因为认为该技术对牺牲层的形成要求很高，目前的甩胶工艺很难实现球面、非球面的均匀甩胶。本发明摆脱了这一思想误区，对比甩胶工艺发现，厚胶牺牲层能有效覆盖面形的中高频误差，尽管带来了低频误差，但通过一个低频误差修正环节，可实现元件的中高频误差抑制。

发明内容

针对光学元件超高精度加工和非球面加工的中抑制高频误差需求，提出一种抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法。

为了实现本发明的目的，本发明提出一种用于抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法，利用离子束抛光设备，实现所述方法包括步骤如下：

步骤S1：检测有中高频误差的待加工的光学元件表面初始面形，获得抛光前的初始面形数据；

步骤S2：利用抛光前的面形数据，获取光学元件的表面面形误差值和误差分布，根据光学元件表面面形误差值和误差分布计算所需牺牲层的厚度及胶的浓度；

步骤S3：清洁光学元件的表面，利用甩胶机对光学元件的表面进行甩胶，甩胶后采用加热设备对胶层烘干，烘干时间根据胶层厚度设定；

步骤S4：检测含有胶层的光学元件表面面形，获得光学元件表面的胶层低频误差；

步骤S5：在光学平面基底上甩厚胶，检测含有甩厚胶层光学平面基底的面形分布，在单位时间内，利用离子束抛光设备对光学平面基底的胶层进行单点去除轰击；在与轰击前相同检测参数下检测得到离子束轰击胶层后的面形分布；最后根据前后光学平面基底胶层前后的面形分布，构建出胶层去除函数；

步骤S6：根据胶层低频误差和胶层去除函数，利用离子束抛光设备加工去除光学元件的胶层低频误差，使得胶层平滑覆盖光学元件表面的中高频误差，获得胶层平滑覆盖高频误差的光学元件；

步骤S7：检测胶层平滑覆盖高频误差的光学元件的面形；

步骤S8：根据检测结果判断去除光学元件表面胶层的低频误差是否被去除，如果低频误差被去除，则执行步骤S9，如果低频误差未被去除，则转入步骤S6；

步骤S9：选择离子束加工参数，根据胶层去除函数和胶层厚度，计算胶层完全被去除所需的加工时间，对光学元件表面遍历扫描并去除胶层加工。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明摆脱了“甩胶工艺很难实现球面、非球面的均匀甩胶”这一思想误区，对比甩胶工艺发现，厚胶牺牲层能有效覆盖面形的中高频误差，尽管带来了低频误差，但通过一个胶层低频误差修正环节，可实现元件的中高频误差抑制；

(2)本发明提出的一种光学表面中高频误差抑制的离子束牺牲层加工方法，在实现中高频误差抑制的同时，不破坏光学表面面形误差精度；

(3)本发明提出的一种光学表面中高频误差抑制的离子束牺牲层加工方法，抑制中高频误差的同时可提高光学表面的粗糙度，达到超光滑中高频误差加工的目的。

附图说明

图1为本发明一种光学表面中高频误差抑制的离子束牺牲层加工方法的步骤流程图；

图2为实施例的石英平面玻璃的面形误差图；

图3为实施例的石英平面玻璃甩胶后的表面牺牲层误差图；

图4为实施例的得到的去除函数分布图；

图5为本发明中牺牲层加工原理图；

图6为实施例的石英平面玻璃经过离子束牺牲层加工后得到的面形误差图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

结合图1所示的本发明光学表面中高频误差抑制的离子束牺牲层加工方法的程序流程图，该方法基于离子束抛光设备，通过甩胶的手段在光学元件表面覆盖一层薄膜，形成用于均匀去除的牺牲层。对不光滑的表面涂一层牺牲层，覆盖表面凹凸不平区域，然后采用离子束加工甩胶形成的牺牲层不均匀低频误差，最后对加工后均匀覆盖牺牲层的光学表面进行离子束均匀扫描遍历抛光，使涂层和不平之处的光学表面材料一起均匀去除，从而达到使光学表面平滑中高频误差抑制的目的。所述光学元件是光学平面元件、球面或非球面中的一种。

本发明待加工的光学元件的一个实例是以一块具有中高频误差石英平面玻璃为例，实施步骤如下：

步骤S1：采用Zygo干涉仪检测有中高频误差的石英平面玻璃表面初始面形，获得抛光前的面形数据，如图2所示，从面形数据可知，该平面工件表面存在环带中高频误差；

步骤S2：从图2可知石英平面玻璃表面的环带中高频误差PV12.581nm、RMS2.093nm，利用抛光前的面形数据，获取光学元件的表面面形误差值和误差分布，根据石英平面玻璃面形误差值和误差分布计算所需牺牲层的厚度在200nm-400nm，胶的浓度稀释4倍；通过甩厚胶来覆盖石英平面玻璃表面中高频误差，石英平面玻璃表面甩胶牺牲层的厚度不能低于200nm，通过牺牲层修正环节去除光学表面甩胶厚度不均匀带来的低频误差。

步骤S3：清洁该石英平面玻璃表面，利用甩胶机对石英平面玻璃表面进行甩胶，甩胶转速为3000转/分钟，甩胶时间为3分钟，甩胶后采用加热设备对胶层烘干，加热温度为120℃，烘干时间为5或10或15分钟；所述烘干时间根据胶层厚度设定是烘干时间的范围和胶层厚度的范围成正比关系，胶层厚度在200nm-400nm范围，烘干时间的范围为5min-15min。

步骤S4：甩胶后的石英平面玻璃恒温稳定3小时-5小时的范围后，采用Zygo干涉仪检测甩胶后的该石英平面玻璃表面面形，得到的胶层面形误差，如图3所示石英平面玻璃甩胶后的表面牺牲层误差图；

步骤S5：对光学平面基底甩厚胶，检测含有甩厚胶层光学平面基底的面形分布，根据光学平面基底胶层前后的面形分布，构建胶层去除函数；对光学平面基底甩厚胶的胶层厚度在1μm-2μm；然后对胶层进行面形检测并保存检测参数和数据；在单位时间内，利用离子束抛光设备对光学平面基底的胶层进行单点去除轰击；在与轰击前相同检测参数下检测得到离子束轰击胶层后的面形分布；最后根据前后光学平面基底胶层前后的面形分布，构建出胶层去除函数，图4所示是本发明提取出的一种牺牲层胶的离子束去除函数分布图；峰值去除：最大的去除值2.004nm/s；全宽半高X方向：5.982nm，全宽半高Y方向：5.990nm，在X或Y方向去除函数最大去除值一半时所对应的宽度。

步骤S6：根据胶层低频误差和胶层去除函数，利用离子束抛光设备加工去除石英平面玻璃的胶层低频误差，使得胶层平滑覆盖石英平面玻璃表面的中高频误差，获得胶层平滑覆盖高频误差的石英平面玻璃；从图3表面误差分布数据可知，Φ100mm石英平面玻璃的表面环带中高频误差经过甩胶后被完全覆盖，但由于甩胶工艺的难点，无法在该石英平面玻璃表面完全均匀覆盖，形成了一些如图3所示的边缘高中间低分布的低频误差。根据图3所示的该石英平面玻璃表面胶层低频误差和图4所示的胶层去除函数。所述离子束抛光设备为IBF450离子束抛光设备。本步骤是本发明的核心思想和最重要环节，通过该环节，实现了牺牲层胶层在石英平面玻璃表面的均匀覆盖，达到如图5所示本发明中牺牲层加工原理图显示石英平面玻璃表面平滑覆盖的理想效果，其中：图5中(a)示出石英平面玻璃原始表面形貌，图5中(b)示出石英平面玻璃涂上牺牲层后抛光，图5中(c)示出抛光到光学平面基底，图5中(d)示出石英平面玻璃去除完全牺牲层后。

步骤S7：利用Zygo干涉仪检测离子束抛光设备加工后的含有胶层平滑覆盖高频误差的石英平面玻璃的面形；

步骤S8：根据检测结果判断该石英平面玻璃表面胶层的低频误差是否被去除，如果低频误差被去除，则执行步骤S9，如果低频误差为被去除，则转入步骤S6；

步骤S9：选择离子束加工参数，根据胶层去除函数和胶层厚度，计算胶层完全被去除所需的加工时间，采用IBF450离子束抛光设备对石英平面玻璃表面进行均匀遍历扫描去除胶层加工，得到如图6所示石英平面玻璃经过离子束牺牲层加工后得到的面形误差图的加工结果，对比图2中环带状的凹凸带中高频误差和图6中没有环带状的凹凸带中高频误差可知，采用本发明提出的一种抑制光学表面中高频误差抑制的离子束牺牲层加工方法，加工该石英平面玻璃，环带中高频误差得到抑制。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法，其特征在于：利用离子束抛光设备，实现所述方法包括步骤如下：

步骤S1：检测有中高频误差的待加工的光学元件表面初始面形，获得抛光前的初始面形数据；

步骤S2：利用抛光前的面形数据，获取光学元件的表面面形误差值和误差分布，根据光学元件表面面形误差值和误差分布计算所需牺牲层的厚度在200nm-400nm，及胶的浓度稀释4倍；

步骤S3：清洁光学元件的表面，利用甩胶机对光学元件的表面进行甩胶，甩胶后采用加热设备对胶层烘干，烘干时间根据胶层厚度设定；

步骤S4：检测含有胶层的光学元件表面面形，获得光学元件表面的胶层低频误差；

步骤S5：在光学平面基底上甩厚胶，检测含有甩厚胶层光学平面基底的面形分布，在单位时间内，利用离子束抛光设备对光学平面基底的胶层进行单点去除轰击；在与轰击前相同检测参数下检测得到离子束轰击胶层后的面形分布；最后根据前后光学平面基底胶层前后的面形分布，构建出胶层去除函数；

步骤S6：根据胶层低频误差和胶层去除函数，利用离子束抛光设备加工去除光学元件的胶层低频误差，使得胶层平滑覆盖光学元件表面的中高频误差，获得胶层平滑覆盖高频误差的光学元件；

步骤S7：检测胶层平滑覆盖高频误差的光学元件的面形；

步骤S8：根据检测结果判断去除光学元件表面胶层的低频误差是否被去除，如果低频误差被去除，则执行步骤S9，如果低频误差未被去除，则转入步骤S6；

步骤S9：选择离子束加工参数，根据胶层去除函数和胶层厚度，计算胶层完全被去除所需的加工时间，对光学元件表面遍历扫描并去除胶层加工。

2.如权利要求1所述用于抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法，其特征在于，通过甩厚胶来覆盖光学元件表面中高频误差，光学元件表面甩胶牺牲层的厚度为200nm-400nm，通过牺牲层修正环节去除光学表面甩胶厚度不均匀带来的低频误差。

3.如权利要求1所述用于抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法，其特征在于，所述烘干时间根据胶层厚度设定是烘干时间的范围和胶层厚度的范围成正比关系，胶层厚度在200nm-400nm范围，烘干时间的范围为10min-15min。

4.如权利要求1所述用于抑制光学表面中高频误差的离子束牺牲层加工方法，其特征在于，所述光学元件是光学平面元件、球面或非球面中的一种。