CN110718439A - 离子束加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离子束加工设备，其包括真空舱室，所述真空舱室内设有若干机械臂、若干法拉第杯扫描装置和若干定位基准校正装置；所述机械臂一端连接有机械臂升降装置，另一端连接有离子源；所述法拉第杯扫描装置用于对所述离子源的状态进行监测；所述定位基准校正装置用于确定光学元件在空间中的精确位置。与现有技术比较本发明的有益效果在于：该离子束加工设备整体的制造成本低，该离子束加工设备的加工精度和效率高。该离子束加工设备既可以应用于大口径光学元件的加工，同时也可以将其应用于多个中等口径元件的并行加工，这样能够提高设备利用率，减少设备闲置折损。

Description

离子束加工设备

技术领域

本发明涉及光学精密加工技术领域，具体涉及一种离子束加工设备。

背景技术

高精度大口径光学元件在高分辨率地基望远镜以及空间对地遥感领域中均有重要的应用，其制造精度和加工能力是制约高分光学系统研制的瓶颈技术之一。研究超高精度大口径光学元件的制造技术，对于提升高分辨率地基望远镜以及空间对地光学遥感系统的成像质量，具有重要研究意义。

离子束加工技术是计算机表面控制成形技术的一种，将传统的小磨头替代为更为先进的离子源，实现在原子尺度上去除光学元件表面材料。加工过程中，首先要将氩、氪等之类的惰性气体充入离子源中，用高频放电或直流放电将这些惰性气体离子化，接着用加速电极将离子从其中拉出来并使之加速，然后将离子束引入高真空加工室，并用离子光学系统聚成细束，使高能离子向光学元件表面冲击，从而将表面的原子或分子溅射出来，这就是离子束加工技术的基本原理。离子束加工技术是新一代的超高精度光学加工方法，具有去除函数稳定性高、鲁棒性好、非接触抛光及无边缘效应等优点。

随着对光学系统的要求越来越高，大口径和高精度并举成为制约光学元件制造的难题之一。针对这一问题，大口径光学元件离子束加工设备成为近些年来的研究热点。然而诸多因素限制了大口径光学元件离子束加工设备的发展，总结起来主要包括以下三个方面：

1、离子源通常采用串联的三轴或五轴运动系统进行驱动，因此运动系统同样需要大行程和较高精度，造价昂贵的同时，其所需的实际行程也会大于实际光学元件尺寸。传统的运动系统各运动轴驱动平台通常具有一定的宽度l，离子源固定在平台某一固定位置，为实现离子源覆盖光学元件的最大尺寸D，运动系统的行程S需要至少满足S≥D+l，这样会进一步增加运动系统的制造难度和成本；

2、在大口径光学元件的离子束加工过程中，为保证加工的效率，通常需要大口径的离子源，而常用的离子源如射频源、考夫曼源等，由于其工作原理的限制，很难做到大口径同时保证其工作稳定性，这也严重限制了大口径光学元件的离子束加工效率，同时离子源口径过大也会限制加工过程中中频误差的去除效果，进而限制其加工精度；

3、对于大型离子束加工设备，在进行大口径光学元件加工过程中，具有无可比拟的优势，但如果利用其加工中等口径反射镜时，由于每次只能加工一个工件或按顺序加工多个工件，则显得诸多其他过程如工装背板运输、获得大舱体真空等过于冗余且代价巨大，这也是鲜有大型离子束加工设备投入使用的原因。

设计一种能够并行工作的新型大口径光学元件的离子束加工设备是十分迫切的需求。

发明内容

有鉴于此，为解决现有技术中大口径光学元件离子束加工设备制造难度高、加工精度低及生产效率低的问题，本发明提供了一种离子束加工设备，其包括真空舱室，所述真空舱室内设有若干机械臂、若干法拉第杯扫描装置和若干定位基准校正装置；所述机械臂一端连接有机械臂升降装置，另一端连接有离子源；所述法拉第杯扫描装置用于对所述离子源的状态进行监测；所述定位基准校正装置用于确定光学元件在空间中的精确位置。

较佳地，若干所述机械臂相对于镜面下按圆周等距分布，若干所述机械臂最大圆形工作区间能够覆盖被加工的所述光学元件；各个所述机械臂在所述光学元件口径外还分别存在工作空间。

较佳地，多个所述工作空间内均设有所述法拉第杯扫描装置和所述定位基准校正装置。

较佳地，所述工作空间为月牙形工作空间。

较佳地，所述机械臂、所述月牙形工作空间、所述法拉第杯扫描装置及所述定位基准校正装置的数量均为3个。

较佳地，其还包括用于支撑所述光学元件的光学元件支撑装置。

较佳地，所述机械臂升降装置设置在所述真空舱室的底部。

较佳地，所述机械臂为具有五个转动自由度的真空机械臂。

较佳地，所述光学元件为单片直径为2-4m的大口径光学元件，或单片直径为2-4m的中等口径光学元件。

较佳地，其还包括控制装置，所述控制装置分别与所述离子源、所述机械臂、所述机械臂升降装置、所述法拉第杯扫描装置和所述定位基准校正装置连接；所述控制装置用于控制所述离子源、所述机械臂和所述机械臂升降装置工作；所述控制装置还用于接收所述法拉第杯扫描装置和所述定位基准校正装置的信号。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

该离子束加工设备的制造成本明显降低，该离子束加工设备的加工精度和效率高。离子束加工设备既可以应用于大口径光学元件的加工，同时也可以将其应用于多个中等口径元件的并行加工，这样能够提高设备利用率，减少设备闲置折损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中离子束加工设备的总体布置示意图；

图2为本发明中各个机械臂与光学元件以及其他装置的相对排布示意图。

附图标记：

真空舱室1、大口径光学元件2、离子源3、第一机械臂4、第二机械臂5、第三机械臂6、机械臂升降装置7、法拉第杯扫描装置8、定位基准校正装置9和月牙形工作空间10。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1为本发明中离子束加工设备的总体布置示意图；图2为本发明中各个机械臂与光学元件以及其他装置的相对排布示意图。如图1和图2所示，本发明实施例提供一种离子束加工设备，其包括真空舱室1、光学元件支撑装置、离子源3、若干机械臂、机械臂升降装置7、若干法拉第杯扫描装置8和若干定位基准校正装置9。离子束加工设备能够加工大口径光学元件2或中等口径光学元件。机械臂为真空机械臂。

光学元件支撑装置用于支撑大口径光学元件2或中等口径光学元件。

机械臂一端与机械臂升降装置7连接，另一端连接有离子源3。离子源3能够与大口径光学元件2或中等口径光学元件接触。

本实施例中优选机械臂的数量为3个，本实施例中有第一机械臂4、第二机械臂5和第三机械臂6共三个机械臂。第一机械臂4一端和与其自身对应的机械臂升降装置7连接，第一机械臂4另一端连接有离子源3。第二机械臂5一端和与其自身对应的机械臂升降装置7连接，第二机械臂5另一端连接有离子源3。第三机械臂6一端和与其自身对应的机械臂升降装置7连接，第三机械臂6另一端连接有离子源3。第一机械臂4、第二机械臂5和第三机械臂6均为具有五自由度的机械臂。第一机械臂4、第二机械臂5和第三机械臂6能够并行工作。与第一机械臂4、第二机械臂5和第三机械臂6分别对应的三个机械臂升降装置7也能够并行的工作，使得各个机械臂即能够相对独立工作，也能够共同协同工作。

机械臂通过五个转动自由度，结合对转角和连杆臂长的优化，可以实现驱动离子源3始终沿光学元件表面法向进行加工。三个机械臂可以按照交叠式、拼接式等协同加工策略进行加工，对应的驻留时间解算、路径规划算法等均有不同，但均对加工效率有明显的提升。

多个机械臂相对于镜面下按圆周等距分布，其最大圆形工作区间能够覆盖被加工光学元件的同时，在光学元件口径外还分别存在工作空间，该工作空间优选为月牙形工作空间10。本实施例中优选形成三个月牙形工作空间10。

各个机械臂升降装置7设置在真空舱室1的底部，这样使得第一机械臂4、第二机械臂5和第三机械臂6能够加工位于其上部的大口径光学元件2或中等口径光学元件。进而保证光学元件采用面朝下的加工方式加工。该设备中，光学元件采用传统的面朝下的加工方式，这样保证加工过程中镜面不会被污染的同时，有利于机械臂刚度的保证。

法拉第杯扫描装置8用于对离子源3的状态进行监测，利用法拉第杯扫描装置8能够对离子源3的状态进行长时间监测。

定位基准校正装置9用于确定光学元件在空间中的精确位置，其可以执行加工前位置校准工作。

每一个机械臂匹配设置一组法拉第杯扫描装置8和定位基准校正装置9。法拉第杯扫描装置8和定位基准校正装置9设置在对应机械臂所形成的月牙形工作空间10中。

优选地，本实施例中包括三个法拉第杯扫描装置8和三个定位基准校正装置9，与第一机械臂4对应的法拉第杯扫描装置8用于对第一机械臂4上连接的离子源3的状态进行监测，与第一机械臂4对应的定位基准校正装置9用于确定光学元件在空间中的精确位置。与第二机械臂5对应的法拉第杯扫描装置8用于对第二机械臂5上连接的离子源3的状态进行监测，与第二机械臂5对应的定位基准校正装置9用于确定光学元件在空间中的精确位置。与第三机械臂6对应的法拉第杯扫描装置8用于对第三机械臂6上连接的离子源3的状态进行监测，与第三机械臂6对应的定位基准校正装置9用于确定光学元件在空间中的精确位置。

本发明中的离子束加工设备的工作原理是：

当使用该离子束加工设备准备大口径光学元件2时，首先将大口径光学元件2经运输进入真空舱室1内，大口径光学元件2由相应的机械结构装置固定后，大口径光学元件2被光学元件支撑装置支撑。然后通过各个定位基准校正装置9确定大口径光学元件2在空间中的精确位置，精确位置后，进一步通过各个机械臂升降装置7分别调整第一机械臂4、第二机械臂5和第三机械臂6的高度，使得大口径光学元件2表面在机械臂的可加工范围内。

获得真空后，利用法拉第杯扫描装置8对与其对应的离子源3的状态进行长时间监测。在确定驻留时间解算、路径规划等加工策略并且离子源3满足工作状态后，由机械臂驱动离子源3进行协同加工，通过加工与检测的迭代，最终完成大口径光学元件2的高精度加工。

对于中等口径元件，其基本加工过程和大口径光学元件2加工过程基本一致，只是在最后阶段，每个中等口径元件均由相应的机械臂独立完成加工。第一机械臂4、第二机械臂5和第三机械臂6分别负责三个中等口径元件的加工。第一机械臂4和第一机械臂4上连接的离子源3参与第一中等口径元件的加工。与第一机械臂4对应设置的法拉第杯扫描装置8用于对第一机械臂4上连接的离子源3的状态进行监测。与第一机械臂4对应设置的定位基准校正装置9用于确定第一中等口径元件在空间中的精确位置。第二机械臂5和第二机械臂5上连接的离子源3参与第二中等口径元件的加工。与第二机械臂5对应设置的法拉第杯扫描装置8用于对第二机械臂5上连接的离子源3的状态进行监测。与第二机械臂5对应设置的定位基准校正装置9用于确定第二中等口径元件在空间中的精确位置。第三机械臂6和第三机械臂6上连接的离子源3参与第三中等口径元件的加工。与第三机械臂6对应设置的法拉第杯扫描装置8用于对第三机械臂6上连接的离子源3的状态进行监测。与第三机械臂6对应设置的定位基准校正装置9用于确定第三中等口径元件在空间中的精确位置。

获得真空后，利用法拉第杯扫描装置8对与其对应的离子源3的状态进行长时间监测。在确定驻留时间解算、路径规划等加工策略并且离子源3满足工作状态后，由各个机械臂驱动各个离子源3进行独立加工。

本发明的目的是针对大口径光学元件离子束加工设备当前存在的诸多问题，提供了一种基于多机械臂并行工作的新型离子束加工设备，能够降低大口径光学元件离子束加工设备的制造成本，提高其加工精度和效率，同时也可以将其应用于多个中等口径元件的并行加工，提高设备利用率，减少设备闲置折损。

传统的离子束加工设备中，光学元件在进入真空舱室后，通常需要具备一维的调整能力，使其镜面进入到离子源运动系统的可加工范围内。对于大口径光学元件来说，对其调整的成本、时间代价一般较大，并且考虑到在加工中等口径元件时，三个光学元件的调整量不一致，因此此种策略不再适用。该设备针对每个机械臂均设置一个机械臂升降装置7，相对于调整光学元件，结构简单、成本低、效率高，并且各个机械臂升降装置7之间相互独立，可以实现不同的调整量。

本实施例中的离子束加工设备的特点是：

1、采用三个五自由度机械臂驱动相应的离子源3对大口径光学元件2(例如：大口径反射镜)进行协同加工，在现有离子源技术的基础上可以大大提升大口径光学元件的离子束加工效率，同时相对于更大口径的离子源，采用协同加工可以保证有效地抑制反射镜中频误差，进而提高加工精度。

2、相对于传统串联机床，每个机械臂结构简单，方便离子源3及其冷却系统的布线，动态性能好，可以减少加工过程中光学元件的牺牲层厚度，进一步提高加工效率，相对于大行程运动系统，定位精度容易保证，提高光学元件的加工精度。

3、采用机械臂驱动离子源3进行加工，不会由于运动自身特性增加真空舱室的空间需求，节约真空系统成本。

4、每个机械臂均设置一个机械臂升降装置7，相对于需要调整光学元件位置的传统离子束加工设备而言，本实施例中的离子束加工设备结构简单、成本低、效率高，并且机械臂升降装置7之间相互独立，可以实现不同的调整量。

5、在大口径光学元件2加工空档期，可以实现多个中口径光学元件的加工，提高设备利用率，降低设备日常折损成本。

本发明另一实施例中，离子束加工设备还包括控制装置，控制装置分别与真空舱室1、离子源3、机械臂、机械臂升降装置7、法拉第杯扫描装置8和定位基准校正装置9连接。

控制装置用于控制真空舱室1、离子源3、机械臂和机械臂升降装置7工作。控制装置还用于接收法拉第杯扫描装置8和定位基准校正装置9的信号。

控制装置还用于确定驻留时间解算及路径规划。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离子束加工设备，其特征在于，其包括真空舱室，所述真空舱室内设有若干机械臂、若干法拉第杯扫描装置和若干定位基准校正装置；所述机械臂一端连接有机械臂升降装置，另一端连接有离子源；所述法拉第杯扫描装置用于对所述离子源的状态进行监测；所述定位基准校正装置用于确定光学元件在空间中的精确位置。

2.如权利要求1所述的离子束加工设备，其特征在于，若干所述机械臂相对于镜面下按圆周等距分布，若干所述机械臂最大圆形工作区间能够覆盖被加工的所述光学元件；各个所述机械臂在所述光学元件口径外还分别存在工作空间。

3.如权利要求2所述的离子束加工设备，其特征在于，多个所述工作空间内均设有所述法拉第杯扫描装置和所述定位基准校正装置。

4.如权利要求2所述的离子束加工设备，其特征在于，所述工作空间为月牙形工作空间。

5.如权利要求4所述的离子束加工设备，其特征在于，所述机械臂、所述月牙形工作空间、所述法拉第杯扫描装置及所述定位基准校正装置的数量均为3个。

6.如权利要求1所述的离子束加工设备，其特征在于，其还包括用于支撑所述光学元件的光学元件支撑装置。

7.如权利要求1所述的离子束加工设备，其特征在于，所述机械臂升降装置设置在所述真空舱室的底部。

8.如权利要求1所述的离子束加工设备，其特征在于，所述机械臂为具有五个转动自由度的真空机械臂。

9.如权利要求1-8任一所述的离子束加工设备，其特征在于，所述光学元件为单片直径为2-4m的大口径光学元件，或单片直径为2-4m的中等口径光学元件。

10.如权利要求1-8任一所述的离子束加工设备，其特征在于，其还包括控制装置，所述控制装置分别与所述离子源、所述机械臂、所述机械臂升降装置、所述法拉第杯扫描装置和所述定位基准校正装置连接；所述控制装置用于控制所述离子源、所述机械臂和所述机械臂升降装置工作；所述控制装置还用于接收所述法拉第杯扫描装置和所述定位基准校正装置的信号。

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