CN104526470B - 一种曲面光学元件的离子束光滑方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于曲面光学元件的离子束光滑方法，该方法步骤为：步骤(1)、检测初始面形，步骤(2)进行离子束预光滑试验，步骤(3)重新检测面形，计算材料移除速率，步骤(4)拟定正式光滑参数，步骤(5)、计算确定性预修形量，步骤(6)、进行确定性预修形，步骤(7)、进行正式离子束光滑，步骤(8)、取出工件，结束。所述方法能有效克服曲面光学元件进行离子束光滑的同时对原有高精度面形的破坏问题。该曲面光学元件的离子束光滑方法，既能保证原有高精度曲面的表面面形精度，又能有效提高光学元件的表面粗糙度。

Description

一种曲面光学元件的离子束光滑方法

技术领域

本发明涉及曲面光学元件加工的技术领域，具体涉及一种曲面光学元件的离子束光滑方法。

背景技术

现代光学系统对光学元件的表面粗糙度提出了越来越苛刻的要求。在某些应用领域，光学元件的表面粗糙度要求甚至优于0.1nm。传统的光学元件研磨技术往往难以满足现代光学系统的上述超光滑表面要求，基于低能宽束离子源的离子束光滑技术应运而生。该技术是采用低能宽束离子源以较大入射角掠入射光学元件表面，在表面原子的表面迁移作用下达到改善光学元件表面粗糙度的目的。该技术在改善平面光学元件表面粗糙度时观察到了较好的表面粗糙度改善效果。但是由于离子束轰击光学元件表面时，除了表面原子的迁移作用，也存在表面原子的溅射作用，即光学元件表面原子在离子束的轰击下，会挣脱表面势能的束缚，形成表面材料的移除效应，并且入射角度不同，其表面移除速率也存在差异。

对于平面光学元件，离子束以一定角度轰击光学元件时，离子束相对光学元件表面各点的入射角度是一致的，因而表面材料移除速率可以认为是一致的，即在此过程中，光学元件表面只是均匀地移除了一层材料，既达到了表面粗糙度改善的目的，又没有破坏光学元件的表面面形。但是对于曲面光学元件，离子束相对光学元件表面各点的入射角度是不一致的，因而表面材料移除速率不一致，表面材料的移除是不均匀的，即改善表面粗糙度的同时，也破坏了光学元件的表面面形。

发明内容

为了克服离子束光滑技术应用于曲面光学元件时存在的上述问题，本发明提出一种离子束光滑方法，该方法能够在改善光学元件表面粗糙度的同时，保持光学元件的原有面形。

本发明采用的技术方案为：一种曲面光学元件的离子束光滑方法，包括如下的步骤：

步骤(1)、检测初始面形。采用干涉仪作为检测设备，检测曲面光学元件的初始面形，其分布函数为r₁(x,y)。干涉仪为光学元件面形检测用的常规仪器，在此不再赘述。初始面形由两部分构成，包括期望面形r₀(x,y)和初始面形误差r_e(x,y)，即其用函数表示为：r₁(x,y)＝r₀(x,y)+r_e(x,y)，其中(x,y)表示面形误差分布点的拓扑坐标位置(下同)。但初始面形108中不包括基准曲面轮廓，基准曲面轮廓表征的是曲面的总体形貌，包括平面、凸面和凹面等。

步骤(2)、进行离子束预光滑试验：依照曲面试验光学元件的轮廓，规划离子束光滑路径。编写数控程序在真空环境中进行离子束预光滑试验，并保存扫描路径及参数。由于一般扫描过程由数控系统控制，因而保存数控代码即可。一般情况下，按照S型光栅路径均匀扫描试验光学元件的被加工表面以进行离子束光滑试验。扫描时要求离子束的入射方向与工件表面任意点的法矢量方向夹角保持一致，并保持较大的入射角度，一般而言，入射角度应在60至85度之间。其中试验光学元件的被加工表面向下，离子束倾斜入射试验光学元件的被加工表面，离子束与试验光学元件表面法矢量方向夹角为80度，但不限于80度。保持匀速扫描，扫描速率为v₁，典型的扫描速率v₁为50至200mm/min，但不限于该速率范围。

步骤(3)、重新检测面形，计算材料移除速率。取下试验光学元件，采用干涉仪重新检测面形误差分布，其函数表示为r₂(x,y)，并与步骤(1)中检测得到的初始面形误差分布进行对比，计算出步骤(2)中进行离子束预光滑过程中材料移除量，其函数表示为r_m1(x,y)，其中：

r_m1(x,y)＝r₁(x,y)-r₂(x,y)

步骤(4)、拟定正式光滑参数：经验试验表明，光学材料受离子束大角度倾斜轰击一段时间后，其表面粗糙度会得到理想的改善，该改善程度依照不同材料和改善要求时间各有不同。对于典型的熔石英光学材料而言，一般单点轰击30分钟可获得理想的表面粗糙度改善。据此，确定正式抛光时的扫描速率v₂，且v₂<v₁,一般v₂为5至20mm/min；

步骤(5)、计算确定性预修形量：结合步骤(3)中计算出的材料移除量r_m1(x,y),和扫描速率v₁和扫描速率v₂，计算预计光滑偏修量120，其函数表示为r_m2(x,y)，结合步骤(3)中的初始面形误差分布r₁(x,y)，计算预先修形量r_mf(x,y)，其中：

r_m2(x,y)＝r_m1(x,y)×v₁/v₂

r_mf(x,y)＝r₂(x,y)-r₀(x,y)-r_m2(x,y)+η

上式即是通过r₂(x,y)考虑并消除了初始面形误差可能给最终面形造成的影响，η为额外材料去除量，为正实数，其大小必须使得r_mf(x,y)中任意点都大于0,该参数的特性由确定性修形技术的基本原理确定，在此不再赘述。

步骤(6)、进行确定性预修形：按照步骤(5)计算的预先修形量r_mf(x,y)进行预先确定性修形，得到预修形后的面形，其函数表示为r₃(x,y)。预修形的目的在于抵消初始面形误差以及步骤(2)及后续步骤(7)中离子束光滑过程中引入的面形误差。确定性修形方式可采用离子束抛光技术，也可以采用其它确定性修形方式，譬如磁流变抛光和射流抛光等，具体修形方式可依照面形精度和加工效率需求来确定。该确定性修形技术为成熟技术，在此不再累述。预修形后的面形的表达式为：

r₃(x,y)＝r₂(x,y)-r_mf(x,y)＝r₀(x,y)+r_m2(x,y)-η

步骤(7)、进行正式离子束光滑。按照步骤2所示的扫描方式及步骤(4)拟定的扫描速率v₂，进行离子束光滑，该步骤会产生一定的表面材料移除量r_m2(x,y)。最终得到光滑后的面形r₄(x,y)。按照上述步骤，r₄(x,y)的表达式为：

r₄(x,y)＝r₃(x,y)-r_m2(x,y)＝r₀(x,y)-η

步骤(8)、取出工件，结束。

经过上述步骤，最终面形与设计面形只存在量值为η的厚度差异，只要该厚度差异控制在设计面形的厚度公差允许范围内，既保持曲面光学元件面形，同时又对曲面光学元件的表面粗糙度进行了改善。

其中，预先测试离子束光滑过程对表面面形精度的影响，并通过事先修形预留材料去除量的办法来抵消离子束光滑过程对表面面形精度的影响。

其中，进行离子束光滑时，离子束始终与曲面光学元件的表面法矢量成大角度掠入射。

其中，其试验光滑路径与正式光滑路径一致，且在相同位置点，离子束的入射方向也一致；且试验扫描速率大于实际光滑扫描速率。

其中，确定性预修形量通过预光滑试验数据计算得到。确定性预修形量与正式光滑预期造成的面形改变量大小相等，方向相反。

本发明的优点在于：

1.由于本发明基于离子束倾斜轰击下的原子表面迁移原理，因此本发明能有效提高光学元件的表面粗糙度，形成超光滑表面。

2.由于本发明在进行离子束光滑的同时考虑并补偿了离子束光滑过程中对面形的破坏，因此本发明能有效避免改善曲面光学元件表面粗糙度的同时对面形的破坏。

3.由于本发明在进行离子束光滑的同时，考虑了初始面形误差，因此本发明能在一定程度上去除光学元件上的原有面形误差。

附图说明

图1为面形误差与粗糙度示意图；

图2为离子束光滑前不光滑的平面示意图；

图3为离子束光滑后较光滑的平面示意图；

图4为曲面的离子束光滑示意图；

图5为曲面离子束光滑后的情形；

图6为曲面光学元件的离子束光滑方法的步骤图；

图7为初始面形r₁(x,y)＝r₀(x,y)+r_e(x,y)；

图8为典型S型的离子束光路径；

图9为离子束光滑时的入射角度；

图10为离子束光滑试验移除量r_m1(x,y)；

图11为离子束光滑试验后的面形r₂(x,y)＝r₁(x,y)-r_m1(x,y)；

图12为确定性预修形移除量r_mf(x,y)；

图13为确定性预修形后的面形r₃(x,y)＝r₂(x,y)-r_mf(x,y)；

图14为正式离子束光滑移除量r_m2(x,y)；

图15为正式离子束光滑后的面形r₄(x,y)＝r₃(x,y)-r_m2(x,y)＝r₀(x,y)-η。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步说明。

光学元件的面形误差是指光学元件的表面宏观形貌与设计值之间的差值，一般而言它会影响光学系统的成像分辨率；而光学元件表面粗糙度是指光学元件表面的任意局部存在的微观不光顺性，一般而言它会影响光学系统的成像对比度。曲面上的宏观凹凸为表面面形误差，微观尺度的起伏为表面粗糙度。需要特别指出的是，对于实际光学元件，其面形误差和表面粗糙度的尺度为纳米至微米量级，而面型轮廓的尺度一般为亚毫米至毫米量级，也就是说可以近似认为面形误差的改变对表面轮廓没有影响。

离子束光滑技术的目的在于，在不损坏光学元件面形的情况下，改善光学元件的表面粗糙度。离子束入射光学元件的角度不同，其表面材料移除速率也不同。采用低能宽束离子源对熔石英平面光学元件进行离子束光滑，该过程中离子束以大角度掠入射光学元件表面，其相对光学元件表面任意位置的入射角都是相同的，因而其对光学元件表面任意位置的材料移除速率是一致的。那么其在有效改善光学材料表面粗糙度的同时，不会破坏光学元件的表面面形，只存在一层均匀的表面材料移除量。平面光学元件进行离子束光滑后表面粗糙度得到降低，但面形仍没有改变。

然而，对于曲面光学元件，采用上述低能宽束离子源进行离子束光滑时，由于曲面上各个位置的法向矢量方向不一致，导致离子束相对光学元件表面不同位置的入射角度也不一致，从而导致表面材料移除速率不一致。那么在进行离子束光滑后，虽然能够在一定程度上改善光学元件的表面粗糙度，但是也会破坏原有的光学元件面形。一般而言，离子束光滑技术是高精度超光滑光学元件的最后一道工序，对面形的损坏是不被允许的。

图1进一步描述了上述光学面形误差101与表面粗糙度102，其中曲面上的宏观凹凸为表面面形误差101，而放大图中的微观尺度的起伏为表面粗糙度102。需要特别指出的是，对于实际光学元件，其面形误差101和表面粗糙度102的尺度为纳米至微米量级，而面型轮廓115的尺度一般为亚毫米至毫米量级，也就是说可以近似认为面形误差101和表面粗糙度102的改变对表面轮廓115没有影响。以上各图示中为了清晰说明面形误差101的变化，均放大了面形误差101相对表面轮廓115的尺寸。

离子束光滑技术的目的在于，在不损坏光学元件面形的情况下，改善光学元件的表面粗糙度。离子束入射光学元件的角度不同，其表面材料移除速率也不同。图2为采用低能宽束离子源对平面光学元件进行离子束光滑前的表面形貌103示意图，该过程中离子束以大角度掠入射光学元件表面，其相对光学元件表面任意位置的入射角都是相同的，因而其对光学元件表面任意位置的材料移除速率是一致的。那么其在有效改善光学材料表面粗糙度的同时，不会破坏光学元件的表面面形，只存在一层均匀的表面材料移除量。附图3为平面光学元件进行离子束光滑后的表面形貌104示意图，即表面粗糙度得到降低，但面形仍没有改变。

然而，对于曲面光学元件106，采用上述低能宽束离子束105进行离子束光滑时，由于曲面光学元件106上各个位置的法矢量方向不一致，如附图4所示，导致离子束相对光学元件表面不同位置的入射角度也不一致，从而导致表面材料移除速率不一致。那么在进行离子束光滑后，虽然能够在一定程度上改善光学元件的表面粗糙度，但是也会破坏原有的光学元件面形106，得到被破坏的面形107(如附图5所示)。一般而言，离子束光滑技术是高精度超光滑光学元件的最后一道工序，对面形的损坏是不被允许的。

本发明一种曲面光学元件的离子束光滑方法的目的即是为了克服上述问题，其步骤如附图6所示，具体为：

步骤(1)、检测初始面形。采用干涉仪作为检测设备，检测曲面光学元件的初始面形108，其分布函数为r₁(x,y)。干涉仪为光学元件面形检测用的常规仪器，在此不再赘述。初始面形108由两部分构成，包括期望面形r₀(x,y)和初始面形误差r_e(x,y)，即其用函数表示为：r₁(x,y)＝r₀(x,y)+r_e(x,y)，其中(x,y)表示面形误差分布点的拓扑坐标位置(下同)，初始面形108如附图7所示。但初始面形108中不包括基准曲面轮廓，基准曲面轮廓表征的是曲面的总体形貌，包括平面、凸面和凹面等。

步骤(2)、进行离子束预光滑试验：依照曲面试验光学元件的轮廓，规划离子束光滑路径。编写数控程序在真空环境中进行离子束预光滑试验，并保存扫描路径及参数。由于一般扫描过程由数控系统控制，因而保存数控代码即可。一般情况下，如附图8所示，按照S型光栅路径110均匀扫描试验光学元件的被加工表面109以进行离子束光滑试验。扫描时如附图9所示，要求离子束的入射方向114与工件表面任意点的法矢量方向夹角113保持一致，并保持较大的入射角度，一般而言，入射角度应在60至85度之间。其中试验光学元件的被加工表面109向下，离子束倾斜入射试验光学元件的被加工表面109，离子束与试验光学元件表面法矢量方向夹角113为80度，但不限于80度。保持匀速扫描，扫描速率为v₁，典型的扫描速率v₁为50至200mm/min，但不限于该速率范围。

步骤(3)、重新检测面形，计算材料移除速率。取下试验光学元件，采用干涉仪重新检测面形误差分布117，其函数表示为r₂(x,y)，并与步骤(1)中检测得到的初始面形108误差分布进行对比，计算出步骤(2)中进行离子束预光滑过程中材料移除量116，其函数表示为r_m1(x,y)，如附图10所示。其中：

r_m1(x,y)＝r₁(x,y)-r₂(x,y)

步骤(4)、拟定正式光滑参数：经试验表明，光学材料受离子束大角度倾斜轰击一段时间后，其表面粗糙度会得到理想的改善，该改善程度依照不同材料和改善要求时间各有不同。对于典型的熔石英光学材料而言，一般单点轰击30分钟可获得理想的表面粗糙度改善。据此，确定正式抛光时的扫描速率v₂，且v₂<v₁,一般v₂为5至20mm/min；

步骤(5)、计算确定性预修形量：结合步骤(3)中计算出的材料移除量r_m1(x,y),和扫描速率v₁和扫描速率v₂，计算预计光滑偏修量120，其函数表示为r_m2(x,y)，结合步骤(3)中的初始面形误差分布r₁(x,y)，计算预先修形量r_mf(x,y)，如附图12所示，其中：

r_m2(x,y)＝r_m1(x,y)×v₁/v₂

r_mf(x,y)＝r₂(x,y)-r₀(x,y)-r_m2(x,y)+η

上式即是通过r₂(x,y)考虑并消除了初始面形误差可能给最终面形造成的影响，η为额外材料去除量，为正实数，其大小必须使得r_mf(x,y)中任意点都大于0,该参数的特性由确定性修形技术的基本原理确定，在此不再赘述。

步骤(6)、进行确定性预修形：按照步骤(5)计算的预先修形量r_mf(x,y)进行预先确定性修形，得到预修形后的面形119，其函数表示为r₃(x,y)，如附图13所示。预修形的目的在于抵消初始面形误差以及步骤(2)及后续步骤(7)中离子束光滑过程中引入的面形误差。确定性修形方式可采用离子束抛光技术，也可以采用其它确定性修形方式，譬如磁流变抛光和射流抛光等，具体修形方式可依照面形精度和加工效率需求来确定。该确定性修形技术为成熟技术，在此不再累述。预修形后的面形119的表达式为：

r₃(x,y)＝r₂(x,y)-r_mf(x,y)＝r₀(x,y)+r_m2(x,y)-η

步骤(7)、进行正式离子束光滑。按照步骤2所示的扫描方式及步骤(4)拟定的扫描速率v₂，进行离子束光滑，该步骤会产生一定的表面材料移除量r_m2(x,y)，如附图14所示。最终得到光滑后的面形r₄(x,y)，如附图15所示。按照上述步骤，r₄(x,y)的表达式为：

r₄(x,y)＝r₃(x,y)-r_m2(x,y)＝r₀(x,y)-η

步骤(8)、取出工件，结束。

经过上述步骤，最终面形与设计面形只存在量值为η的厚度差异，只要该厚度差异控制在设计面形的厚度公差允许范围内，既保持曲面光学元件面形，同时又对曲面光学元件的表面粗糙度进行了改善。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种曲面光学元件的离子束光滑方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(1)、检测初始面形：采用干涉仪作为检测设备，检测曲面光学元件的初始面形(108)，其分布函数为r₁(x,y)，初始面形(108)由两部分构成，包括期望面形r₀(x,y)和初始面形误差r_e(x,y)，即其用函数表示为：r₁(x,y)＝r₀(x,y)+r_e(x,y)，其中(x,y)表示面形误差分布点的拓扑坐标位置，但初始面形(108)中不包括基准曲面轮廓，基准曲面轮廓表征的是曲面的总体形貌，包括平面、凸面和凹面；

步骤(2)、进行离子束预光滑试验：依照曲面光学元件的轮廓，规划离子束光滑路径，编写数控程序在真空环境中进行离子束预光滑试验，并保存扫描路径及参数，由于扫描过程由数控系统控制，因而保存数控代码即可，按照S型光栅路径(110)均匀扫描光学元件的被加工表面(109)以进行离子束光滑试验；扫描时要求离子束的入射方向(114)与工件表面任意点的法矢量方向夹角(113)保持一致，并保持较大的入射角度，其中光学元件的被加工表面(109)向下，离子束倾斜入射光学元件的被加工表面(109)，离子束与光学元件表面法矢量方向夹角(113)为80度，保持匀速扫描，扫描速率为v₁，扫描速率v₁为50至200mm/min；

步骤(3)、重新检测面形，计算材料移除速率：取下光学元件，采用干涉仪重新检测面形误差分布r₂(x,y)(117)，并与步骤(1)中检测得到的初始面形(108)误差分布r₁(x,y)进行对比，计算出步骤(2)中进行离子束预光滑过程中材料移除量r_m1(x,y)(116)，其中：

r_m1(x,y)＝r₁(x,y)-r₂(x,y)

步骤(4)、拟定正式光滑参数：经试验表明，光学材料受离子束大角度倾斜轰击一段时间后，其表面粗糙度会得到理想的改善程度，该改善程度依照不同材料和改善要求时间各有不同；对于典型的熔石英光学材料而言，单点轰击30分钟可获得理想的表面粗糙度改善；据此，确定正式抛光时的扫描速率v₂，且v₂<v₁，v₂为5至20mm/min；

步骤(5)、计算确定性预修形量：结合步骤(3)中计算出的材料移除量r_m1(x,y)和扫描速率v₁和扫描速率v₂，计算预计光滑偏修量(120)，其函数表示为r_m2(x,y)，结合步骤(3)中的初始面形误差分布r₁(x,y)，计算预先修形量r_mf(x,y)，其中：

r_m2(x,y)＝r_m1(x,y)×v₁/v₂

r_mf(x,y)＝r₂(x,y)-r₀(x,y)-r_m2(x,y)+η

上式即是通过r₂(x,y)考虑并消除了初始面形误差可能给最终面形造成的影响，η为额外材料去除量，为正实数，其大小必须使得r_mf(x,y)中任意点都大于0；

步骤(6)、进行确定性预修形：按照步骤(5)计算的预先修形量r_mf(x，y)进行预先确定性修形，得到预修形后的面形r₃(x,y)(119)；预修形的目的在于抵消初始面形误差以及步骤(2)及后续步骤(7)中离子束光滑过程中引入的面形误差；确定性修形方式采用离子束抛光技术，或者采用其它确定性修形方式，具体为磁流变抛光或射流抛光，具体修形方式依照面形精度和加工效率需求来确定；预修形后的面形r₃(x,y)(119)的表达式为：

r₃(x,y)＝r₂(x,y)-r_mf(x,y)＝r₀(x,y)+r_m2(x,y)-η

步骤(7)、进行正式离子束光滑：按照步骤(2)所示的扫描方式及步骤(4)拟定的扫描速率v₂，进行离子束光滑，该步骤(7)会产生一定的表面材料移除量r_m2(x,y)，最终得到光滑后的面形r₄(x,y)，按照该步骤(7)，r₄(x,y)的表达式为：

r₄(x,y)＝r₃(x,y)-r_m2(x,y)＝r₀(x,y)-η

步骤(8)、取出工件，结束。

2.根据权利要求1所述的一种曲面光学元件的离子束光滑方法，其特征在于：预先测试离子束光滑过程对表面面形精度的影响，并通过事先修形预留材料去除量的办法来抵消离子束光滑过程对表面面形精度的影响。

3.根据权利要求1所述的一种曲面光学元件的离子束光滑方法，其特征在于：进行离子束光滑时，离子束始终与曲面光学元件的表面法矢量成大角度掠入射。

4.根据权利要求1所述的一种曲面光学元件的离子束光滑方法，其特征在于：其试验光滑路径与正式光滑路径一致，且在相同位置点，离子束的入射方向也一致；且试验扫描速率大于实际光滑扫描速率。

5.根据权利要求1所述的一种曲面光学元件的离子束光滑方法，其特征在于：确定性预修形量通过预光滑试验数据计算得到，确定性预修形量与正式光滑预期造成的面形改变量大小相等，方向相反。