CN106736990B - 一种非球面离子束成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面离子束成型装置及方法。所述装置包括真空舱、工件旋转机构、工件夹持架、被加工件、离子束掩模板和离子源；真空舱为离子源提供真空工作环境并容纳其它部件；工件旋转机构用于旋转被加工件；工件夹持架用于悬挂夹持被加工件；离子束掩模板根据非球面及离子束分布情况设计成特定的形状遮拦并形成特定形状及分布的离子束。本发明所述非球面离子束成型装置及方法能快速成型高质量的非球面。

Description

一种非球面离子束成型装置及方法

技术领域

本发明涉及离子束成型的技术领域，具体涉及一种非球面离子束成型装置及方法。

背景技术

现代光学系统中为提高成像质量，减轻系统复杂度，降低系统成本，越来越多地采用非球面光学元件。但是，高精度大偏离量的非球面在加工制造环节依然面临着各种各样的技术难题。

通常采用抛光粉研磨的传统方法加工非球面，但该方法精度有限，面形收敛不稳定，加工周期长，加工效率低，难以满足现代光学系统的需求。

基于离子束溅射原理的光学加工技术是现代光学元件加工的一种重要加工技术，其优势在于精度高、无表面应力、无边缘效应、确定性强、能加工硬、脆、软等多种特殊材料，不受工件面型的限制，非常适合高精度光学元件的低频面形误差修正。这些都是传统加工技术难以达到的。

当前的离子束抛光技术应用于大偏离量非球面的离子束成型时一般先采用传统工艺将光学元件制造成最接近球面，然后采用离子束进行非球面化。但是该离子束抛光方式一般采用聚焦后的小束径离子束加工，材料移除效率较低，而且在此过程中会导致一定的中频面形误差，在后期加工中难以去除，非球面面形精度无法进一步提升；且在进行非球面加工过程中由于难以精确对刀，容易引起非球面偏心。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提出一种非球面离子束成型装置及方法。

本发明提出的一种非球面离子束成型装置，包括真空舱、离子源、离子束掩模板、工件夹持架和工件旋转机构；

真空舱用于给离子源提供真空工作环境并容纳装置的其它部件。其存在真空门，用于打开并安装装置的其它部件或取放被加工件。大小及结构以能容纳其它部件即可。真空舱采用真空泵为其抽真空，为常规性工业装置，在此不再赘述。

离子源安装于真空舱内侧底部，自下而上喷射高速离子束，该离子束一般为氩气电离形成的氩离子束，但不限于该离子束。其喷射的离子束穿过掩模板的孔洞入射到被加工工件表面，在其动能作用下轰击工件表面原子，使其达到材料溅射去除的目的。离子源可采用射频离子源、考夫曼离子源、空心阴极离子源或微波离子源等大面积高密度高稳定性离子源，但不限于上述类型的离子源。

工件旋转机构安装于真空舱内侧顶部。下部安装工件夹持架。工件夹持在工件夹持架上。工件旋转机构最终用于驱动工件绕其中心旋转。工件旋转机构可采用电机驱动的转台搭建，但不限于该方式。被加的工件一般为圆形光学零件，但不限于圆形光学零件。

工件夹持架将工件被加工面朝下悬挂夹持，为常规性机械夹具，在此不再赘述。

离子束掩模板安置于离子源和工件之间，用于遮挡部分离子以形成特定形状及分布的离子束。掩模板的设计应结合离子束的空间分布和被成型光学元件表面材料去除量的要求进行二维设计。掩模板可采用石墨作为材料，但不限于该材料。非球面成型过程中，掩模板相对离子源保持不动，工件在旋转机构带动下绕工件中心匀速转动。

一种非球面离子束成型装置对光学元件实现非球面成型。采用如下的方法，包括如下的步骤，具体为：

步骤一，加工最接近球面：按照常规方法将被加工光学元件加工成目标非球面的最接近球面。

步骤二，掩模板设计：测定离子束的空间分布后，按照非球面偏移量及当前面形状况设计特定形状的离子束掩模板，同时计算采用该离子束掩模版所需要加工的时间。

步骤三，安装被加工工件：将被加工光学元件的中心调整到与工件旋转机构同轴，可采用旋转打千分表的方法进行，但是不限于该方式。同时安装好设计加工好的离子束掩模板。

步骤四，离子束成型：将真空舱1抽真空后开启离子源6，同时匀速旋转被加工件4直至达到步骤二中计算的时间，匀速旋转的目的在于形成中心对称的材料去除。

步骤五，检测工件面形：检测非球面的成型精度，如满足要求，结束；否则转步骤二。

本发明的一种非球面离子束成型装置及方法其优点在于：

(1)由于掩模板可以设计成任意二维形状，因而可以形成任意形状分布的离子束，并形成期望的非球面偏移量。

(2)由于采用工件旋转的加工方式，只要被加工件与被加工件旋转机构共轴，即可获得中心回转材料去除量，能有效避免非球面偏心。

(3)由于采用宽束离子源形成非球面，因而可以避免非球面成型过程中形成中高频误差，有助于后期进一步精度提升。

(4)由于采用高稳定的离子源作为材料去除工具，因而该成型过程具有极高的非球面成型精度。

(5)由于离子束加工一般不改变光学元件表面粗糙度，因而可以将球面的表面粗糙度保持到非球面面上，不用进行后续抛光即可投入使用，减少了非球面加工的工序，降低了成本。

(6)由于该装置采用大面积高密度高稳定性离子源，具有较高的材料移除效率，因而可以实现高效率的非球面成型。

附图说明

图1为本发明的非球面离子束成型装置及方法的装置示意图，其中，1为真空舱，2为工件旋转机构，3为工件夹持架，4为被加工件，5为离子束掩模板，6为离子源，7为离子束；

图2为本发明的大口径离子束加工装置及方法的掩模板设计示意图，其中，5为离子束掩模板，8为掩模板开孔；

图3为本发明的非球面离子束成型方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式作进一步说明本发明。

图1所示为用于非球面光学元件的离子束成型的装置，包括真空舱1、工件旋转机构2、工件夹持架3、被加工件4、离子束掩模板5和离子源6。

真空舱1用于给离子源6提供真空工作环境并容纳装置的其它部件。其存在真空门，用于打开并安装装置的其它部件或取放被加工件4。大小及结构以能容纳其它部件即可。真空舱1采用真空泵为其抽真空，真空舱1为常规性工业装置，在此不再赘述。

离子源6安装于真空舱1内侧底部，自下而上喷射高速离子束7，该离子束7一般为氩气电离形成的氩离子束，但不限于该离子束。其喷射的离子束7穿过离子束掩模板5的孔洞入射到被加工件4表面，在其动能作用下轰击被加工件4表面原子，使其达到材料溅射去除的目的。离子源6可采用射频离子源、考夫曼离子源、空心阴极离子源或微波离子源等大面积高密度高稳定性离子源，但不限于上述类型的离子源。

工件旋转机构2安装于真空舱1内侧顶部。其下部安装工件夹持架3。被加工件4夹持在工件夹持架3上。工件旋转机构2最终用于驱动被加工件4绕其中心旋转。工件旋转机构2可采用电机驱动的转台搭建，但不限于该方式。被加工件4一般为圆形光学零件，但不限于圆形光学零件。

工件夹持架3将被加工件4的被加工面朝下悬挂夹持，为常规性机械夹具，在此不再赘述。

离子束掩模板5安置于离子源6和被加工件4之间，用于遮挡部分离子以形成特定形状及分布的离子束7。离子束掩模板5的设计应结合离子束7的空间分布和被加工件4表面材料去除量的要求进行二维设计。离子束掩模板5可采用石墨作为材料，但不限于该材料。被加工件4进行非球面成型过程中，离子束掩模板5相对离子源6保持不动，被加工件4在工件旋转机构2带动下绕被加工件4的中心匀速转动。

一种非球面离子束成型装置对被加工件4实现非球面成型。采用如下的方法，包括如下的步骤，具体为：

步骤一，加工最接近球面：按照常规方法将被加工件4加工成目标非球面的最接近球面。

步骤二，离子束掩模板5设计：测定离子束7的空间分布后，按照非球面偏移量及当前面形状况设计特定形状的离子束掩模板5，同时计算采用该离子束掩模版5所需要加工的时间。

步骤三，安装被加工件4：将被加工件4的中心调整到与工件旋转机构2同轴，可采用旋转打千分表的方法进行，但是不限于该方式。同时安装好设计加工好的离子束掩模板5。

步骤四，离子束成型：将真空舱1抽真空后开启离子源6，同时匀速旋转被加工件4直至达到步骤二中计算的时间，匀速旋转的目的在于形成中心对称的材料去除。

步骤五，检测工件面形：检测被加工件4的成型精度，如满足要求，结束；否则转步骤二。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可理解的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内，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 (5)

1.一种非球面离子束成型装置，其特征在于，包括真空舱(1)、工件旋转机构(2)、工件夹持架(3)、被加工件(4)、离子束掩模板(5)和离子源(6)，其中，

真空舱(1)用于给离子源(6)提供真空工作环境并容纳装置的其它部件，离子源(6)安装于真空舱(1)内侧底部，自下而上喷射高速离子束(7)，其喷射的离子束(7)穿过离子束掩模板(5)的孔洞入射到被加工件(4)表面，在其动能作用下轰击被加工件(4)表面原子，使其达到材料溅射去除的目的；

工件旋转机构(2)安装于真空舱(1)内侧顶部，其下部安装工件夹持架(3)，被加工件(4)夹持在工件夹持架(3)上，工件旋转机构(2)最终用于驱动被加工件(4)绕其中心旋转；

工件夹持架(3)将被加工件(4)的被加工面朝下悬挂夹持；

离子束掩模板(5)安置于离子源(6)和被加工件(4)之间，用于遮挡部分离子以形成特定形状及分布的离子束(7)，离子束掩模板(5)的设计应结合离子束(7)的空间分布和被加工件(4)表面材料去除量的要求进行二维设计，被加工件(4)进行非球面成型过程中，离子束掩模板(5)相对离子源(6)保持不动，被加工件(4)在工件旋转机构(2)带动下绕被加工件(4)的中心匀速转动。

2.根据权利要求1所述的一种非球面离子束成型装置，其特征在于，离子源(6)采用射频离子源、考夫曼离子源、空心阴极离子源或微波离子源大面积高密度高稳定性离子源。

3.根据权利要求1所述的一种非球面离子束成型装置，其特征在于，工件旋转机构(2)采用电机驱动的转台搭建。

4.根据权利要求1所述的一种非球面离子束成型装置，其特征在于，离子束掩模板(5)采用石墨作为材料。

5.一种非球面离子束成型方法，其特征在于，包括如下的步骤：

步骤一，加工最接近球面：按照常规方法将被加工件(4)加工成目标非球面的最接近球面；

步骤二，离子束掩模板(5)设计：测定离子束(7)的空间分布后，按照非球面偏移量及当前面形状况设计特定形状的离子束掩模板(5)，同时计算采用该离子束掩模板(5)所需要加工的时间；

步骤三，安装被加工件(4)：将被加工件(4)的中心调整到与工件旋转机构(2)同轴，可采用旋转打千分表的方法进行，同时安装好设计加工好的离子束掩模板(5)；

步骤四，离子束成型：将真空舱(1)抽真空后开启离子源(6)，同时旋转被加工件(4)直至达到步骤二中计算的时间，匀速旋转的目的在于形成中心对称的材料去除；

步骤五，检测工件面形：检测被加工件(4)的成型精度，如满足要求，结束；否则转步骤二。