CN113661149B - 用于光学表面的成形控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于成形光学元件的光学表面以实现光学表面的目标轮廓的方法，包括：对光学表面的沿着第一方向延伸的延伸区域应用去除处理，以从光学表面的延伸区域去除材料；沿着垂直于第一方向的第二方向调整光学表面相对于去除处理的位置，以从光学表面的附加延伸区域去除材料，附加延伸区域在光学表面的沿着第二方向的每个不同位置处沿着第一方向延伸；以及对于光学表面围绕垂直于第一方向和第二方向的第三方向的多个旋转取向中的每一个，重复去除处理的应用和光学表面相对于去除处理的调整，以实现光学表面的目标轮廓。

Description

用于光学表面的成形控制的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月1日根据35USC§119提交的美国临时专利申请第62/812,663号的优先权。该临时申请的全部内容通过引用整体并入本文。

背景技术

光学元件的制造通常涉及至少在元件的光学表面上相对于光学表面的目标轮廓进行整形(或“成形(figure)”)。该目标表面可以是平面、球面或一些其他定义的形式，诸如非球面表面或甚至自由形式的表面。实现这样的轮廓的技术是多种多样的，并且通常涉及在光学元件的全孔径上进行研磨和抛光。对于更高精度的光学器件，该技术通常还涉及光学表面的确定性局部(或“子孔径”)处理，以实现目标轮廓。

子孔径成形涉及使用一些小的(相对于衬底的尺寸)去除函数，该去除函数以变化的速度停留在表面上，以局部地去除较大衬底的子区域中的材料，从而校正全局成形。有许多技术可用于执行子孔径成形校正。磁流变精加工(MRF)是一种常见的商业上可用的技术。离子束成形(IBF)是另一种方法，其由于去除函数的稳定性而被大量利用。大多数子孔径精加工技术在某种程度上受到物理约束(例如，施加的压力、器具磨损、器具位移公差、机器速度或加速度约束等)的限制，并且由于处理的局部性质，当在任何合理稳定的条件下使用时，这些技术通常也受到体积去除速率的限制。这可能会导致处理时间长。对此类型处理的其他限制有时包括，例如，微粗糙度的退化、表面质量的问题、中间空间表面误差的引入和边缘排除。

因此，通常使用多种处理技术来对单个光学元件成形。例如，通常在较大的“批量”去除模式中使用成形技术来校正较长的空间长度表面误差，然后切换模式以使用较小的去除函数来解决衬底中较高的空间周期。这样做是为了提高收敛效率并最小化处理时间。

总之，子孔径处理的确定性为有效地整形光学衬底提供了很大的优点。然而，这可能伴随着表面质量、边缘效应、粗糙度、运行时间的权衡，或者表面的较高空间频率特性的退化。当必须去除相对大体积的材料以实现期望的结果时，这样的权衡会越来越成问题(这通常是大型光学元件的情况)。

发明内容

本文公开了用于对光学表面进行成形的方法的实施例。实施例解决了常规子孔径精加工的问题，并且仍然保持高水平的确定性。它们涉及全局和局部成形方法的混合，以提供与全孔径处理相当的去除速率效率以及子孔径处理的确定性。

一般地，在一个方面，公开了一种用于成形光学元件的光学表面以实现光学表面的目标轮廓的方法。该方法包括：a)对光学表面的沿着第一方向延伸的延伸区域应用去除处理，以从光学表面的延伸区域去除材料；以及b)沿着垂直于第一方向的第二方向调整光学表面相对于去除处理的位置，以从光学表面的附加延伸区域去除材料，该附加延伸区域在光学表面的沿着第二方向的每个不同位置处沿着第一方向延伸。在去除处理的应用和光学表面相对于去除处理的调整期间，光学表面具有围绕第三方向的第一旋转取向，该第三方向垂直于第一方向和第二方向。该方法还包括：c)对于光学表面围绕第三方向的一个或多个附加旋转取向中的每一个，重复去除处理的应用和光学表面相对于去除处理的调整，以实现光学表面的目标轮廓。

该方法的实施例可以包括一个或多个以下特征。

光学表面的沿着第一方向延伸的延伸区域可以沿着第一方向延伸穿过光学表面的全孔径，通过去除处理从该延伸区域去除材料。在某些实施例中，光学表面的全孔径大于25厘米，或大于50厘米，或甚至大于100厘米。

去除处理优选地沿着第一方向横向延伸，以同时和/或均匀地从光学表面的沿着第一方向延伸的区域去除材料。

去除处理可以是蚀刻处理，其中光学表面的至少部分浸入蚀刻浴中。例如，光学表面相对于去除处理的调整可以包括沿着第二方向将光学表面浸入蚀刻浴中。此外，沿着第二方向将光学表面浸入蚀刻浴中可以包括变化沿着第二方向将光学表面浸入蚀刻浴中的速度，以使光学表面的沿着第一方向延伸的附加延伸区域处的材料在光学表面的沿着第二方向的每个不同位置处被去除的速率关于沿着第二方向的距离非线性地变化。在这种情况下，光学表面的浸入蚀刻浴中的延伸区域可以由蚀刻浴与每个延伸区域在蚀刻浴中的停留时间成比例地连续去除材料。在某些实施例中，该方法还可以包括调整蚀刻剂浴的温度，以调整去除处理的蚀刻速率。

在某些其他实施例中，去除处理是离子束蚀刻处理，其中用于离子束蚀刻处理的离子束沿着第一方向的维度比离子束沿着第二方向的维度大至少十倍。

在某些其他实施例中，去除处理是磁流变精加工处理，其实现圆柱形头以提供横向延伸的去除处理。

更一般地，对于任何去除处理，沿着第二方向调整光学表面相对于去除处理的位置可以包括变化沿着第二方向的相对定位的速度，以使光学表面的沿着第一方向延伸的附加延伸区域处的材料在光学表面的沿着第二方向的每个不同位置处被去除的速率关于沿着第二方向的距离非线性地变化。

该方法还可以包括将光学元件安装在固定装置中，以在将去除处理初始应用到光学表面之前，建立光学表面围绕第三方向的初始旋转取向。此外，该方法还可以包括在重复每个去除处理的对应应用和光学表面相对于去除处理的的调整之前，重新定向固定装置中的光学元件，以建立光学表面的一个或多个附加旋转取向中的每一个。

例如，第一旋转取向和一个或多个附加旋转取向共同包括至少四个不同的旋转取向、八个不同的取向或者甚至多于八个不同的取向。在某些优选实施例中，例如，至少四个不同的旋转取向可以选自与45度的整数倍相对应的旋转。

该方法还可以包括将用于光学表面的成形的目标轮廓表达为对于以下中的每一个的第二维度的坐标的多项式函数的叠加：第一旋转取向和一个或多个附加旋转取向。例如，对于第一旋转取向和一个或多个附加旋转取向中的每一个，光学表面相对于去除处理沿着第二方向的调整可以基于对于第一旋转取向和一个或多个附加旋转取向中的每个对应者的多项式函数。此外，对于第一旋转取向和一个或多个附加旋转取向中的每一个，光学表面相对于去除处理沿着第二方向的调整速度可以对应于对于第一旋转取向和一个或多个附加旋转取向中的每个对应者的多项式函数关于第二维度的坐标的导数。

在某些实施例中，用于光学表面成形的期望轮廓可以依据Zernike多项式的集合的系数来表达，并且该方法可以包括使用目标轮廓来近似期望的轮廓，该目标轮廓被表达为第一旋转取向和一个或多个附加旋转取向中的每一个的多项式函数的叠加。

该方法的实施例可以包括以下优点中的任何一个：i)对于大衬底，“有效”去除速率高；ii)对类似的成形误差进行批处理，从而增加吞吐量；iii)计量受限的楔形控制和/或零边缘退化；iv)自由形式和非球面几何形状的轮廓绘制；v)高纵横比或机械易碎衬底的轮廓绘制；vi)本质上没有表面下损伤和/或缺陷污染(例如，划痕/挖坑)的处理；vii)熔融二氧化硅上的最小粗糙度退化；和viii)以低成本和高吞吐量地简单实现和高确定性。

本发明的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。从说明书和附图以及权利要求中，本发明的其他特征、对象和优点将变得显而易见。

附图说明

图1A和1B是图示光学表面112的两个角度取向(图1A中的0度和图1B中的45度)被处理的方法的示意图。

图2是列出前36个Zernike多项式的表格。

图3是高达四阶球面的八个Zernike多项式的X-Y图形表示。

图4是图形矩阵，该图形矩阵以图形方式图示了在不同角度取向的一维表面轮廓绘制的叠加可以如何产生对应于不同Zernike多项式的表面轮廓。

图5是对于八个45度增量旋转中的每一个的沿着Y轴的一维校正的示例性数值矩阵，该八个45度增量旋转对于校正依据前十六个Zernike多项式(z₁，z₂，…z₁₆)表达的表面误差校正是必要的。

图6A和图6B是在轮廓蚀刻之前(6A)和之后(6B)测量的熔融二氧化硅窗口的透射波前误差(TWE)的图像。

图7是应用于由本文公开的方法实现的平凸透镜的非球面表面轮廓绘制偏差的缩放版本的合成条纹重叠的三个不同视角图像的集合。

不同附图中相同的参考符号指示相同的元件。

具体实施方式

本文公开了用于在子孔径和全孔径处理之间以混合模式来校正光学衬底的表面成形误差的方法。这是通过利用线去除处理来进行的，该线去除处理提供了线去除函数，该线去除函数可以进行连续缩放以适应衬底的全宽度，并且对于衬底的不同角度取向重复这样的全宽度去除处理，以共同实现沿着所有必要方向的可变表面轮廓绘制。例如，对于实现目标表面提供所必要的表面误差校正被分解成角度分量，然后用对于衬底的相应角度取向的一组全宽度线去除处理来处理光学表面，该组全宽度线去除处理实现了所有这些角度分量的表面误差校正。

在一个实施例中，线去除处理是湿酸，其将连续蚀刻衬底的与溶液接触的部分。在另一个实施例中，线去除处理是提供与光学表面线接触的任何处理，诸如被修改为横向延伸并由此提供线去除函数的常规抛光、MRF抛光或IBF技术。在某些实施例中，通过以下来执行将表面误差校正分解成角度分量：依据Zernike多项式的系数来表达表面误差校正(如常规所进行的，尽管依据其他函数来表达也是可能的)，并将Zernike多项式分解成对于衬底的不同角度取向的线函数的叠加，如下面更详细描述的。

线去除处理允许光学表面的全孔径上的表面误差沿着与线去除处理的扫描方向相对应的维度(例如，沿着表面的长度)而被校正，只要去除函数沿着孔径的整个宽度延伸。一个简单示例是楔形校正。延伸的去除函数可以容易地赋予(或去除)楔形。例如，通过适当地定向光学元件，使得楔形的方向垂直于去除函数(其延伸衬底的整个宽度)，则可以通过遍历衬底的长度并在需要更多去除的地方停留更长来控制楔形。更一般地，在其他示例中，沿着长度改变这种去除函数可以创建除线性楔形之外的弯曲(但是仅在被遍历的单个方向上)。例如，弯曲成形的简单示例是圆柱体，然而，可以赋予任何种类的弯曲，只要变化垂直于去除函数。对于衬底的不同方向重复这种线性去除处理能够沿着许多方向进行可变的表面成形。

Zernike多项式是描述光学衬底上的形式误差的相当标准的手段，并且是径向分量和角度分量的函数。这些多项式从描述平均误差、倾斜和倍率(power)开始，然后复杂性随着项的阶数变大而增加。通常使用多达前36个来描述表面。在许多情况下，拟合更高阶的项趋向于失去实用价值。然而，对于本文公开的方法的目的，重要的是这些多项式也可以基本上由以离散角度重新组合的线性轨迹来表征。通过分解这些多项式，前16个项可以由在相距45度的8个离散角度上的线性轨迹的对应叠加来重新表示。换言之，Zernike多项式可以由在八个不同角度取向上的一系列1D弯曲(延伸衬底的宽度)来表达。作为基础示例，在正交的“X”和“Y”方向上的倾斜只是在两个相距90度的角度取向上的“弯曲”。倍率和像散性(astigmatism)也是如此。这些只是“圆柱体”加上90度时钟(在像散的情况下，圆柱体是反转的)。在Zernike阶的复杂性增加时该原理同样适用(例如，关于彗差、三阶球面等)，然而，线性组合需要越来越小的时钟角度(例如，45度、22.5度等)。

该方法示意性地图示于图1A和1B中。具有光学表面112的光学元件110安装在光学安装在相对于线去除处理140定向光学表面112的固定装置120中，该光学表面112的表面成形将被校正以建立目标轮廓。在图1A和1B所图示的笛卡尔坐标系中，光学表面112名义上定向在X-Y平面中，并且线去除处理沿着X轴延伸。线去除处理140沿着X轴方向跨过光学表面的全孔径从光学表面112均匀地去除材料。材料被去除的量和对应的成形随着线去除处理140在线去除处理的Y轴坐标处的停留时间而增加。为了沿着Y方向可变地成形光学表面112，线去除处理140相对于光学表面112沿着Y方向扫描，其中停留时间对应于目标轮廓。

为了能够沿着光学表面112的附加维度进行成形，对于光学表面112相对于线去除处理140的一个或多个附加角度取向中的每一个，重复线去除处理140。具体而言，在图1A和1B所示的笛卡尔坐标系中，光学表面围绕垂直于X轴和Y轴的Z轴旋转。例如，这可以通过将元件130安装在固定装置120中来实现，该固定装置120可旋转支持固定装置120中的光学元件110。相应地，图1B图示了在光学表面围绕Z轴相对于图1A中的光学表面的角度取向旋转45度之后，应用于光学表面112的线去除处理140。在其他实施例中，支撑光学元件的固定装置120可以整体相对于线去除处理旋转。

如上所述，在该方法的某些实施方案中，线去除处理是由酸浴提供的，并且该方法在下文中关于该酸处理进行了更详细的说明。

轮廓蚀刻

在描述该技术时，从所涉及的基本元素开始，并发展到最终的实现是合适的。考虑使用酸浴对光学元件进行湿蚀刻以去除原料。在实践中，蚀刻速率将是稳定的和各向同性的，从而通过将衬底完全浸没在酸中，将执行材料的均匀去除。表面高度(h)的改变将由Δh＝ER·Δt定义，其中ER表示酸的去除速率，而Δt是经过的时间。从技术上讲，上述蚀刻在最基础的均匀去除形式中符合确定性的全孔径处理，但迄今为止，不存在用于成形控制的基础。通过引入部分浸没衬底的概念，可以稍微调整场景。通过近似由空气与酸浴之间的界面定义的阶梯函数，系统可以由下面的公式(1)重新表达。

现在存在由衬底上的点的位置(y)定义的去除的位置依赖性，并且将系统描述为具有去除函数(而不是去除速率)变得更合适。以这样的方式定义设置清楚地表明，通过将常规的运动学引入到系统中，有可能以类似于许多子孔径处理中所采用的方式实现受控的蚀刻不均匀性。例如，初始实现是以固定的速度将衬底受控浸入酸中，以便校正楔形。

楔形简单地为线性的幅度梯度，其关于衬底的给定长度(L)而存在。为了校正楔形，有必要通过以受控的方式将衬底降低到酸浴中来优先蚀刻衬底的较厚部分。由于可以自由选择衬底方向，幅度梯度被定义为在衬底底部具有最大偏离(Δh＝h_max)，以及在顶部(Δh＝0)。从公式(1)中可见，去除h_max所需要的时间(Δt)简单地为h_max/ER。因此，浸入速度(v_y)等于L/Δt。代替Δt并注意到L/h_max可以定义为表面斜率(m_wedge)的倒数，校正(或赋予)楔形所需要的最终速度在公式(2)中定义。

有隐含的需要，斜率(m)必须是正的(m>0)，这将证明在将成形校正扩展到楔形以外时是有限制的。然而，有简单的解决方案。因为去除与沿着宽度的任何位置(x)无关，所以将衬底旋转180°用于反转目标轮廓。因此，在轮廓的镜像版本中，负斜率(m<0)将变为正。因此，m₁₈₀＝-m，并且校正再次成为可能。当把概念扩展到任意轮廓时，这种关系的重要性将变得显而易见。

现在假设存在表示关于y的任意幅度变化的函数h(y)。沿着轮廓h(y)遍历任意距离Δy将导致轮廓幅度Δh的相关联的变化，从而在局部尺度上重新引入楔形的概念(Δh/Δy)，并且可以建立新的速度函数v(y)来执行局部校正。作为Δy→0的极限，斜率m(y)是位置y处表面轮廓的导数，因此m(y)＝dh/dy和v(y)＝ER/m(y)。给定h(y)的任意性质，斜率的符号也将是任意的。如上所述，单次浸入处理只能校正正斜率。然而，也如上所述，将衬底旋转180°的又一浸入处理将负斜率转换为正斜率。因此，对表面轮廓的完整改变是以旋转对执行的，并且最终的校正公式如下，其中下标指示单独的0°和180°增量。

应该注意的是，在斜率为负且速度等于无穷大的情况下，理论上不存在去除。在实践中，速度最大化到系统的约束，一些最小的去除是不可避免的。

现在存在使用湿酸浴将任何一般的轮廓h(y)赋予到光学元件的(一个或多个)表面上的手段。然而，仅依赖于y是有限的，并且在以下章节中证明去除函数可以扩展到超过这个限制。事实上，引入了将Zernike多项式(是x和y的函数)分解成依赖于y和浸入角度θ的角度分量的概念，并且将示出酸蚀刻处理可以用于重建这些多项式。

Zernike分解

如上所述，Zernike多项式是描述光学衬底上的形式误差的相当标准的手段。它们最常见于由早期术语(倍率、彗差、像散性、三叶形等)的描述，但由越来越复杂的无限系列正交函数组成。图2是依据径向分量“ρ”和角度分量“φ”提供前36个Zernike多项式的表格。显而易见，这些多项式的表达式在完全展开时变得很繁琐，与分解成角分量相关联的表达式也是如此。因此，切换到图形表示将是实用的，并且将会理解，下面的描述可以通过计算来证明(和证实)。图3是高达四阶球面的八个Zernike多项式的图形表示。

为了使用上述蚀刻方法来重建图3中所示的第一系列Zernike轮廓，湿蚀刻浸入处理随着变化的离散角度而重复。为了校正图3中所示的九个Zernike多项式，角度限于45°的增量。当然，在其他实施例中和/或为了校正更高阶的Zernike多项式，可以使用更小的角度增量。此外，由于轮廓绘制是成对(相距0°和180°)进行的，对未来的浸入角度的参考将仅由第一取向来描述，并且将暗示重复的180°蚀刻。因此，浸入角度将被指定为θ_i，并且i将假设值0、45、90、135…315。

图4以图形方式图示了在若干这些不同浸入角度中的每个角度下的一维轮廓绘制可以如何叠加组合，以创建与Zernike多项式相对应的特定轮廓绘制多维轮廓绘制。具体而言，图4中左上的图像证明了Zernike多项式可以如何被分割成角度分量，如果被适当定向，则该角度分量仅仅是一个变量(y)的函数，并且因此可以使用蚀刻轮廓绘制方法来校正。每个单独的浸入将用于线性重组单独的轮廓，以重建适当的Zernike(图4中从左到右的每个轮廓的总和)。在所示的倍率、像散性、彗差和三阶球面的情况下，完整的重建可以由少至4个离散的角度来执行。可以看出，前16项可以在少至8个旋转中如上所述重建。更高阶项需要更多的旋转。

按顺序地赋予用于描述表面的每个单独的多项式并不是必要的。每个离散的角度将具有来自每个Zernike项的贡献，并且可以基于在每个角度上的轮廓的总和(图4中从顶部到底部的每个轮廓的总和)同时被轮廓绘制。回到数学模型，可以对公式(3)进行轻微修改以包括角度旋转，并且为每个浸入角度(θ)创建新的函数Zn(y)，其中Z_n表示与第n个Zernike项相关联的角度分布。完整的图片由公式(4)和(5)表示，其中θ将假设值0、45、…、315。

仅举例来说，图5中示出了对于八个45度增量旋转(其对于校正按照前十六个Zernike多项式(z₁，z₂，…z₁₆)表达的表面误差校正是必要的)沿着Y轴的一维校正的矩阵表示。较低阶的项只需要一个离散取向，而所需要的时钟量随着项转为更高阶而增加。矩阵示出了Zernike项按行阶数增加并且沿着列离散角度分解(以45度增量)。对公式的解耦不一定是唯一的，填充矩阵的值仅为一种可能的解决方案。

示例

在本节中，将描述已处理的两个组件的示例。此外，该处理还有一些独特的优点，这些优点将在光学窗口制造、边缘效应最小化、非球面化、对大衬底的可伸缩性以及批量处理方面是突出的。关于实践处理实现，下面提到的光学器件是熔融二氧化硅(SiO₂)并使用缓冲氢氟酸溶液蚀刻(BOE)。

在第一示例中，在轮廓蚀刻之前和之后测量熔融二氧化硅窗口的透射波前误差(TWE)。在用于描述波前误差的Zernike系数之间进行了比较，并且实现了非常高的收敛性，这在图6A(之前)和图6B(之后)以及下面的表1中被证实。

表1

Zernike描述	初始(波)	蚀刻后(波)
			倾斜X	-0.069	0.000
倾斜Y	0.275	0.001
			焦距	-0.151	0.000
像散性0,90	0.017	0.001
			像散性+-45	-0.014	0.012
X彗差	0.005	-0.003
			Y彗差	-0.008	0.005
球面	0.010	0.005

因为组件是光学窗口，并且TWE规定了要求，所以可以同时处理两个表面。该处理的双侧应用突出了在生产环境中的潜在优点，因为这将有效地使校正的去除速率加倍。另一个益处在数据输出到衬底的紧边缘的保真度中示出。处理产生的边缘效应太小，无法从相关联数据中量化，这证实了该处理的另一个优点。

在第二示例中，该处理用于使弯曲几何形状的表面非球面化，而不是校正窗口的平坦几何形状的成形误差。非球面偏差仅由圆锥曲线(k)表征，并且偏离由高达三阶球面的Zernike多项式完整描述。出于可视化目的，图7中示出了非球面偏差的经缩放版本的合成条纹重叠。在该应用中，该处理被实施用于朝向最终表面轮廓的批量收敛，并以互补的方式与其他确定性精加工技术一起使用，以完全制造光学器件。想这个示例中突出了该处理的两个显著优点。第一优点是对蚀刻与表面几何形状无关的证实。酸将总是与表面的几何形状相符，并且通过(数学上)将期望的轮廓投影到虚拟平面上，可以容易地应用该过程。第二优点是该处理的双侧性带来的不太明显的益处。由于在光学器件的两个表面上同时执行蚀刻，平坦表面上的轮廓改变等于非球面表面的弯曲几何形状的改变。在这种情况下，可以利用现有的平坦表面干涉测量能力来表征相反的表面轮廓，其中等效能力是不可用的。

到目前为止，很少提到该处理的去除速率。在某种程度上，这是由于蚀刻速率会基于浓度和温度而剧烈变化的事实。然而，在蚀刻处理中也必须突出有效去除速率的概念。尽管蚀刻速率在固定的温度(和浓度)下是稳定的，但是衬底上的最终体积去除速率将随着衬底的尺寸而变化，这从关于楔形校正的公式(2)中隐约地暗示出来。可以注意到，对于给定的校正幅度，如果衬底的长度变大，那么速度将成比例地缩放。换言之，处理时间是相同的，与衬底的尺寸无关，并且系统的体积去除速率不是常数。

作为示例，考虑约80纳米/分钟的典型蚀刻速率和100毫米直径的圆形衬底。为了校正1微米的楔形，相关联的速度将为8毫米/分钟，校正将需要12.5分钟。如果直径增加到1000毫米，速度达到80毫米/分钟，校正时间保持相同。当然，材料被去除的量增加了100倍，有效去除速率从约0.3立方毫米/分钟跃升至约30立方毫米/分钟。因此，蚀刻轮廓绘制技术的主要优点之一是随着衬底尺寸的增大，去除效率急剧增加。

事实证明，酸轮廓绘制方法非常有助于建立高效的确定性处理，其满足光学器件制造中涉及的处理时间(高去除速率)和几何形状约束。酸蚀刻速率的稳定性有助于高水平的确定性，并为衬底的许多不同尺寸和几何形状提供了一定的使用自由度。结合方向和速度的运动学，全孔径和子孔径方法之间的混合也证明了一些期望的体积去除速率效率，尤其是当应用于越来越大的衬底时。

其他示例和变型

上面的具体示例涉及处理单个光学衬底。然而，也可以对一个以上的衬底实行批量处理，特别是在衬底具有相似的几何形状并且每个衬底的期望去除是一致的情况下。所有这些都需要合适的常规器具。

上述具体示例仅限于接近完成的抛光衬底。然而，在光学衬底的制造中涉及许多处理和技术，并且酸轮廓绘制技术也可以以支持的互补的方式用于支持这样的其它处理和技术。例如，本文公开的方法可用于光学元件早期制造阶段的批量整形，也可用于制造具有复杂自由形式曲面的光学元件，以利用几何形状与方法无关。

如上所述，该方法不限于用于线去除处理的蚀刻浴。在其他变型中，线去除处理是提供与光学表面的线接触的任何处理，诸如被修改为横向延伸并由此提供线去除函数的常规抛光、MRF抛光或IBF技术。例如，用于IBF的离子束源可以被配置为提供线轮廓而不是点轮廓(例如，对于一个维度比正交维度大至少十倍)。类似地，例如，用于MRF的球形头可以用圆柱形头代替。

此外，当将蚀刻浴用于线去除处理时，变化包括在一个或多个浸入处理中的每一个期间和/或在不同的浸入处理之间变化浴的蚀刻速率。这可以通过例如变化蚀刻浴的温度以变化其蚀刻速率和/或变化蚀刻浴的组成以变化蚀刻速率来实现。

虽然本说明书包含许多具体的实现细节，但是这些不应被解释为对任何发明的或所要求保护的范围的限制，而是针对特定发明的特定实施例的特征的描述。

本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实现或者在任何合适的子组合中实现。

此外，尽管特征可以在上面被描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初被这样要求保护，但是在一些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。

已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在以下权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于成形光学元件的光学表面以实现所述光学表面的目标轮廓的方法，所述方法包括：

a.对所述光学表面的沿着第一方向延伸的延伸区域应用去除处理，以从所述光学表面的延伸区域去除材料；以及

b.沿着垂直于所述第一方向的第二方向调整所述光学表面相对于所述去除处理的位置，以从所述光学表面的附加延伸区域去除材料，所述附加延伸区域在所述光学表面的沿着所述第二方向的每个不同位置处沿着所述第一方向延伸，

c.其中，在所述去除处理的应用和所述光学表面相对于所述去除处理的调整期间，所述光学表面具有围绕第三方向的第一旋转取向，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向，并且

d.其中，所述方法还包括：

对于所述光学表面围绕所述第三方向的一个或多个附加旋转取向中的每一个，重复所述去除处理的应用和所述光学表面相对于所述去除处理的调整，以实现所述光学表面的目标轮廓，

其中，所述去除处理是蚀刻处理，其中所述光学表面的至少部分浸入蚀刻浴中,

其中，所述光学表面相对于所述去除处理的调整包括沿着所述第二方向将所述光学表面浸入所述蚀刻浴中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学表面的沿着所述第一方向延伸的延伸区域沿着所述第一方向延伸穿过所述光学表面的全孔径，通过所述去除处理从所述延伸区域去除材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，沿着所述第二方向将所述光学表面浸入所述蚀刻浴中包括：变化沿着所述第二方向将所述光学表面浸入所述蚀刻浴中的速度，以使所述光学表面的沿着所述第一方向延伸的附加延伸区域处的材料在所述光学表面的沿着所述第二方向的每个不同位置处被去除的速率关于沿着所述第二方向的距离非线性地变化。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光学表面的浸入所述蚀刻浴中的延伸区域由所述蚀刻浴与每个延伸区域在所述蚀刻浴中的停留时间成比例地连续去除材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，沿着所述第二方向调整所述光学表面相对于所述去除处理的位置包括：变化沿着所述第二方向的相对定位的速度，以使所述光学表面的沿着所述第一方向延伸的附加延伸区域处的材料在所述光学表面的沿着所述第二方向的每个不同位置处被去除的速率关于沿着所述第二方向的距离非线性地变化。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述光学元件安装在固定装置中，以在将所述去除处理初始应用到所述光学表面之前，建立所述光学表面围绕所述第三方向的初始旋转取向。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：在重复每个所述去除处理的对应应用和所述光学表面相对于所述去除处理的调整之前，重新定向所述固定装置中的所述光学元件，以建立所述光学表面的一个或多个附加旋转取向中的每一个。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一旋转取向和所述一个或多个附加旋转取向共同包括至少四个不同的旋转取向。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少四个不同的旋转取向包括八个不同的旋转取向。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少四个不同的旋转取向选自与45度的整数倍相对应的旋转。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括将用于所述光学表面的成形的目标轮廓表达为对于以下中的每一个的第二维度的坐标的多项式函数的叠加：所述第一旋转取向和所述一个或多个附加旋转取向。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，对于所述第一旋转取向和所述一个或多个附加旋转取向中的每一个，所述光学表面相对于所述去除处理沿着所述第二方向的调整基于对于所述第一旋转取向和所述一个或多个附加旋转取向中的每个对应者的多项式函数。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，对于所述第一旋转取向和所述一个或多个附加旋转取向中的每一个，所述光学表面相对于所述去除处理沿着所述第二方向的调整的速度对应于对于所述第一旋转取向和所述一个或多个附加旋转取向中的每个对应者的所述多项式函数关于所述第二维度的坐标的导数。

14.根据权利要求11所述的方法，其中用于所述光学表面的成形的期望的轮廓依据Zernike多项式的集合的系数来表达，并且其中所述方法包括使用所述目标轮廓来近似期望的轮廓，所述目标轮廓被表达为对于所述第一旋转取向和所述一个或多个附加旋转取向中的每一个的多项式函数的叠加。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学表面的全孔径大于25厘米。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学表面的全孔径大于50厘米。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学表面的全孔径大于100厘米。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述去除处理沿着所述第一方向横向延伸，以同时从所述光学表面的沿着所述第一方向延伸的区域去除所述材料。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述去除处理沿着所述第一方向横向延伸，以从所述光学表面的沿着所述第一方向延伸的区域均匀地去除所述材料。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：调整所述蚀刻浴的温度，以调整所述去除处理的蚀刻速率。

21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学表面包括以下中的任何一种：平坦表面、球面、非球面和自由形式表面。

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