CN1758983B - 用于光学元件的模具 - Google Patents

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Abstract

提供一种制造高精度模具的方法，其中例如使用金刚石砂轮和/或金刚石车削头将与理想特征设计相匹配的特征刻进硬质模具材料(41)中。测量由使用金刚石砂轮和/或金刚石车削头带来的本身不精确度和误差(49)，以确定与理想特征设计的偏差。然后，激励超快短脉冲激光，以理想地去除偏差，从而校正误差并使该特征与理想形状相一致。此外，在激光去除加工前或激光去除加工后，在该特征上形成薄膜(1602)，其中误差测量和激光去除加工分别检测和去除薄膜表面上的误差。另外，激光去除加工例如可以直接应用于由不精确模具形成的光学透镜(1400)中，以去除其上的任何误差和缺陷。

Description

用于光学元件的模具
技术领域
本发明总体上涉及用于制造和/或精加工表面的系统和方法以及利用该系统和/或方法制造的装置。更具体地说，该系统和方法可用于通过激光去除工艺生产高精度光学透镜模具。
背景技术
在现代的装置/器件制造中使用模具是众所周知的方法，其可追溯到远古时代。但是，最近精密模具铸造法已被光学设备制造者用于光学透镜的生产。包括一个或多个光学成像、光学通信以及光学数据存储技术的装置变得日益盛行。这些产品中许多使用一个或多个光学透镜。因此，非常希望在各种装置中使用的光学透镜能够尽可能精确地满足它们的设计要求。还希望在这些透镜的生产过程中能够保持经济可行的制造方法，从而这些透镜可以在市场上理想地定价。
随着对高性能光学设备的需求的逐步增长，装置已变得更小且更加精密。因此，为了能够满足其性能要求，这些装置需要难于制造的高精度光学透镜。例如，蓝光(blu-ray)光学存储器标准使用短波长激光(蓝色激光)，以允许在光学存储盘上存储更多数据，这与目前使用红色激光的标准(CD、DVD)相反。激光的波长越短，要求越小越精确的透镜，并希望其表面上的缺陷最小。
图1A和1B示出现有制造高精度透镜的方法，该方法包括在硬质模具材料1上形成模腔2，其中该模腔2与理想光学透镜的几何形状的透镜 设计相匹配。模腔2通常利用安装在移动臂14上的金刚石砂轮10(图1A和1B中示出)或金刚石车削头12(图2中示出)中的至少一个执行预定的雕刻算法16而由模具材料1经过磨削和/或切削而成(如图1A、1B和2中所示的示例)。在最后形成的模具被抛光之后，将光学透镜材料放入到该模具之内，在高温和高压下按需要压制，以便形成光学透镜(图1中未示出)。本领域的技术人员将认识到，其它方法也可用于最后抛光形成的模具，以形成光学透镜。
利用上面所述的现有方法，设计精度一般能够达到约±0.1微米。但是，磨削/切削工艺带来模腔表面误差，它不满足高精密光学透镜所要求的纳米和亚纳米级精度，例如蓝光标准所要求的精度。如图1A和1B中所示，表面误差导致不希望的移动臂的柄14的弯曲以及柄14和/或砂轮10的振动。如图2中所示，由于轴20和/或金刚石车削头12的弯曲或振动可能引起类似的缺陷。不希望有的缺陷也可能起因于在车削头与模腔表面之间的界面24上产生的温度或压力变化以及机械制造工具(图2中未示出)本身的不精确性。此外，砂轮/车削头经受磨损，并在长时间使用之后可能变得精度更差，从而因更换模具和另外加工模具而带来不希望的制造成本。
另外，具有模腔32的光学透镜模具31可能希望在完成时至少在模腔32上施敷一薄膜33(如图3所示)。施敷薄膜例如可以防止在压制加工过程中在光学透镜材料和模具31之间产生不希望的粘连。但是，施敷薄膜也可能在薄膜表面上引入不希望的波状起伏，从而给高精度透镜的制造加工带来额外误差。
目前的方法旨在降低光学透镜制造中的误差，如上所述，其通常包括光学透镜模具的生产，其中由于误差而生产出不完美的光学透镜。然后，光学仪器制造者手工精加工该透镜表面，以消除通过利用例如激光 干涉仪进行测量所确定的表面误差。另外，存在更复杂的自动化方法，诸如由美国纽约罗彻斯特市的光学器件制造中心(COM)开发的磁流变抛光法。但是，这些方法均可能为透镜带来不希望的额外表面误差，并通常达不到较高性能光学装置所希望的纳米和亚纳米精度。
发明内容
本发明提出一种改进高精度表面的形状的方法，其包括以下步骤：提供一块在其表面上具有特征的材料，测量由从该特征伸出的偏离理想特征形状的材料所引起的该特征的表面误差，通过基于该误差激励脉冲激光束以去除从该特征伸出的材料来校正该特征的表面误差。
在进一步的实施例中，该材料块为一模具，该特征为一模腔，该表面误差为由伸进模腔中的偏离理想模腔形状的模具材料所引起。或者，该表面误差可以为来自先前的机械加工步骤的刀具痕迹。
在本发明的另一个实施例中，在误差被理想地校正之后，在该特征上沉积一层薄膜材料。或者，在误差被测量和校正前，在该特征上沉积一层薄膜材料，此时测量该特征的表面误差则是测量由从薄膜表面伸出并偏离理想特征形状的部分材料引起的误差。基于该误差激励脉冲激光束，以去除从薄膜表面伸出并偏离理想特征形状的部分材料。或者，可以提供在其表面上具有特征且在该特征上沉积有薄膜材料的模具材料块，而不是如上所述沉积薄膜材料。
在另一实施例中，提供一种光学透镜，其上具有由从透镜表面伸出而偏离理想透镜形状的透镜材料所引起的表面误差，其中测量该表面误差，然后加以校正，通过基于该误差激励脉冲激光束以理想地去除从透镜表面伸出而偏离理想透镜形状的透镜材料。在又一实施例中，在基于该误差激励脉冲激光束之前，光学透镜的从透镜表面伸出而偏离理想透 镜形状的透镜材料基本上被光学吸收性材料覆盖住。
本发明的另一示范性实施例为一种激光加工系统，用于通过从部分高精度表面上去除偏离预定表面设计形状的装置材料来改进装置的高精度表面的形状。该激光加工系统包括：脉冲激光源，用于产生激光脉冲；与激光脉冲的光路对准的光闸；在光路中对准的光学器件，用于将激光脉冲聚焦成光斑/束斑(beam spot)；装置支座，用于保持或可控制地移动该装置，以使得光斑在该装置的高精度表面上扫描；以及处理器。每个激光脉冲具有预定峰值波长、等于加工能级的脉冲能量以及小于约1ns的预定脉冲宽度。装置支座包括：三维正交线性平移台；与三维正交线性平移台相连的θ旋转台，以绕垂直于光斑处的激光脉冲的传播方向的θ轴旋转该装置，θ旋转台允许所述装置基本上旋转180°；与θ旋转台相连的Ф旋转台，以大致绕垂直于θ轴的Ф轴旋转该装置，Ф轴随θ旋转台旋转而变化；以及与Ф旋转台相连的支架，用于保持该装置。处理器控制：加工能级的激光脉冲的脉冲能量和光斑的直径，以使得每个激光脉冲从高精度表面上去除一定去除深度的装置材料；光闸以及装置支座，以使得偏离预定表面设计形状的部分高精度表面被多个激光脉冲照射。
本发明的又一示范性实施例为一种激光加工系统用的多位置原位识别设备。该多位置原位识别设备包括：多位置原位识别光闸(shuttle)，安装在多位置原位识别光闸上的物镜；以及安装在多位置原位识别光闸上的面向前光束对准摄像机。多位置原位识别光闸这样布置：在第一光闸位置上，物镜与激光加工系统的光路对准，以将激光加工系统的激光在一表面上聚焦成光斑；以及在第二光闸位置上，面向前光束对准摄像机与光路共线对准，并对应于当多位置原位识别光闸位于第一位置上时的光斑位置成像所述装置的表面。这样便产生对准图像，以用于确定激 光加工系统在表面上的初始光束对准。
本发明的又一示范性实施例为一种用于短波长光的改进型非球面和/或非对称透镜。该非球面透镜由透镜材料形成，包括：第一光折射表面，其具有与预定第一非球形表面设计形状相匹配的第一非球面形状，该第第一光折射表面的最大偏差小于约1μm；以及与第一光折射表面相对的第二光折射表面，第二光折射表面具有与预定第二表面设计形状相匹配的第二表面形状，第二表面最大偏差小于约1μm。
本发明的又一示范性实施例为一种用于短波长非球面透镜、短波长非对称透镜和/或微结构的改进型压力模具(压模)。该压力模具包括由模具材料形成的模具本体。该模具本体包括具有非球形模具表面形状的模具表面，其与预定非球形表面设计形状相匹配，模具表面最大偏差小于约1μm。
本发明的又一示范性实施例是一种用于压力模具的改进型释放膜(release film)。该释放膜包括形成于压力模具的模具表面上的释放膜材料。释放膜材料的释放表面与模具表面相对，并具有与预定表面设计形状相匹配的释放表面形状，其最大偏差小于约1μm。
本发明的再一实施例还可以包括磨削/切削模具表面上的特征的步骤，其中该特征是一个模腔，磨削/切削该特征引入由伸进模腔中而偏离理想模腔形状的模具材料引起的模腔表面误差。
应当理解，以上的一般性描述和以下的详细描述均仅仅是本发明的示例性说明，而不是对本发明的限制。
附图说明
结合附图并阅读下面的详细描述将可更好地理解本发明。应该强调，根据一般实践，附图中的各种特征不是成比例的。相反，为清楚起见， 各种特征的尺寸可以随意放大或缩小。附图中包括以下图示：
图1A(现有技术)是具有用于在其中磨削模腔的金刚石砂轮的模具的侧面剖视图；
图1B(现有技术)是具有用于在其中磨削模腔的金刚石砂轮的模具的侧面剖视图；
图2(现有技术)是具有用于在其中磨削模腔的金刚石车削头的模具的侧面剖视图，进一步示范性图示了表面模腔误差的起因；
图3A(现有技术)是具有其中所形成的模腔的模具的侧面剖视图；
图3B(现有技术)是具有其上所形成的薄膜的模具的侧面剖视图；
图4A，4B，4C是在根据本发明的一种方法的制造过程中根据本发明的一示范性实施例的设备的侧面剖视图；
图5A，5B，5C，5D和5E是在根据本发明的另一种方法的制造过程中根据本发明另一实施例的设备的侧面剖视图；
图6A是在模腔表面误差的激光去除过程中本发明的示范性实施例的俯视图；
图6B是在图6A中所示的激光去除过程中本发明的示范性实施例的侧面剖视图；
图6C是在图6A中所示的激光去除过程中本发明的示范性实施例的侧面剖视图；
图7是本发明的用于执行移动步骤的示范性电动/机动移动台设备的透视图；
图8是表示本发明的一实施例的示范性制造方法的流程图；
图9是在激光去除过程中本发明的另一实施例的侧面剖视图；
图10是表示本发明的另一实施例的示范性制造方法的流程图；
图11示出了根据本发明的一示范性激光加工系统的示意性方块图；
图12A，12B，12C示出根据本发明的示范性多位置原位识别设备的示意性方块图(框图)；
图13示出了根据本发明的一示范性辅助气体室的示意性方块图；
图14示出了根据本发明的一示范性改进型非球面透镜的侧视图；
图15示出了根据本发明的一示范性改进型非对称透镜的侧视图；
图16示出了根据本发明的一示范性改进型压力模具的侧视图；
图17示出了根据本发明的另一示范性改进型压力模具的侧视图。
具体实施方式
本发明的一实施例总体上涉及材料表面的非理想特征的激光去除(laser ablation)，以提高材料高精度表面的实际表面形状与理想表面形状之间的形状匹配。这些非理想特征可包括这样的缺陷，如在用于形成初始表面形状的车削或磨削加工过程中产生的刀具痕迹。在另一个实施例中，所述材料可以是光学模具，所述特征可以是光学模腔内的非理想表面波状起伏。但是，本领域的技术人员将认识到，为了达到更高精度，各种类型的其它表面可以通过这里公开的一个或多个实施例加以去除，这些均不脱离由权利要求书所限定的本发明的范围。
参考附图，其中在组成该附图的各视图中，相同的附图标记表示相同的元件，图4通过若干加工步骤示出了本发明的一示范性实施例。图4A中所示的步骤提供了一块模具材料41。模具材料41通常可以是具有理想的低热膨胀系数、高的导热系数、抗氧化性和相当低的孔隙率的任意硬质材料，例如碳化钨，金属陶瓷(包括例如TiN、TiC、Cr2O3和Al2O3 中的一种或多种)，陶瓷(例如Al2O3、Cr2O3、SiC、ZrO2、Si3N4、TiN、TiC或BN)，金属(例如Ni、Cr、Ti、W、Ta、Si或其合金)，固态碳材料(例如金刚石、无定形金刚石或玻璃碳)，玻璃，或蓝宝石。
然后，根据一个或多个工艺在模具材料41的表面上形成模腔42，该工艺可以包括例如参考图1-3所述的磨削/切削工艺，也可以包括离子束铣削(ion beam milling)、化学蚀刻(chemical etching)和等离子蚀刻(plasma etching)。模腔42理想地形成为基本上与理想透镜形状40对应，并具有由于上面所述的现有技术工艺的不精确性引起的模腔表面误差49。
图4B示出了在激光去除加工/工艺之前具有形成于其中的模腔42和在其上的模腔表面误差49的模具材料41。在激光去除加工前，用高精密检测装置(图4中未示出)检测和测量模腔表面误差49，该高精密检测装置例如可以是激光干涉仪，白光干涉仪，线性可变位移传感器，或者任意形式的扫描探针显微镜(SPM)，例如扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、近场扫描光学显微镜(NSOM)或剪力显微镜(ShFM)。
通常，这些误差指那些不希望地伸进模腔而偏离模腔的理想形状(例如理想形状上的波状起伏)的模具材料。高精度检测装置可以基本上测绘出模腔42表面上的所有误差49。在误差49被检测之后，将激光束45定位在第一个模腔表面误差49上，于是激励激光源(未示出)，以提供包括至少一个光脉冲、理想的是多个叠加脉冲的激光束45，从而去除伸进模腔42而偏离理想透镜形状40的模具材料，由此校正该误差。然后，按照预定算法将激光束45重新定位到另一个模腔表面误差49上，于是激励激光源，以按希望消除另一误差。重复执行该过程，直到模腔42的表面被精加工至与理想透镜形状40相匹配，如图4C所示。
用于产生激光束45的激光源可以是任何超快(超高速)短脉冲激光器，例如飞秒激光器或者皮秒激光器。理想的激光源可以包括通常用于激光加工应用的任何类型的固态增益介质，例如：Cr:YAG(峰值基波长，λf＝1520nm)；Cr:镁橄榄石(λf＝1230-1270nm)；Nd:YAG和Nd:YVO4(λf＝1064nm)；Nd:GDVO4(λf＝1063nm)；Nd:YLF(λf＝1047nm和1053nm)；Nd:玻璃(λf＝1047-1087nm)；Yb:YAG(λf＝1030nm)；Cr:LiSAF(λf＝826-876nm)；Ti:蓝宝石(λf＝760-820nm)；和Pr:YLF(λf＝612nm)。可以使用标准光学泵浦系统诸如闪光灯、掺铒光纤激光器、二极管激光器泵浦这些固态增益介质，在用于泵浦固态增益介质之前，光学泵浦系统的输出脉冲可以直接耦合到固态增益介质中或者可以经受谐波发生。固态增益介质可以设置成操作如激光振荡器；单通放大器；和/或多通放大器中的一个或多个。该元件还包括光学器件，以大致准直激光。激光源可以理想地产生近傅立叶变换极限脉冲。期望提供超快激光源，这些脉冲具有的脉冲宽度可小于约1ns，典型地小于50ps。用于去除加工的超快短脉冲激光可理想地避免模腔的热变形，并用于通过剥离被照射原子的电子来消除不希望存在的波状起伏，主要是蒸发掉纳米至亚纳米级精度的波状起伏。或者，激光源可以包括受激准分子激光器系统(例如XeCl，λf＝308nm；KrF，λf＝248nm；ArF，λf＝193nm；或F2，λf＝157nm)，染料激光器系统(例如7-二乙基氨基-4-甲基香豆素，λf＝435-500nm；苯甲酸，2-[6-(乙基氨基)-3-(乙基亚氨基)-2，7-二甲基-3H-氧杂蒽-9-基]-乙酯，一氢氯化物，λf＝555-625nm；4-二氰基亚甲基-2-甲基-6-(对-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃，λf＝598-710nm；或2-(6-(4-二甲基氨基苯基)-2，4-新戊二烯-1，3，5-己三烯基)-3-甲基苯并噻唑高氯酸酯，λf＝785-900nm)，或者在激光加工应用中采用的其它激光器系统。
为了防止模腔表面不希望地氧化，激光去除加工可以在惰性气氛中进行。该惰性气氛可加以选择，以减小在激光去除加工过程中模具表面氧化的可能性，并可以包括氮气或者诸如氩的稀有气体。或者，可以使用辅助气体例如N2、Ar、O2、空气、CF4、Cl2、H2、或SF6，以用于通过在激光照射中形成等离子体来辅助去除加工。
在上述去除过程之前，对于特定材料可以先校准激光。校准过程可以包括以下步骤：提供一块材料，将激光聚焦在该块材料的表面上，施加具有预定最小功率的光脉冲，逐步升高光脉冲的功率，直到材料表面被理想地去除一定深度(即得到去除阈值)。然后，在校准过程中得到的去除阈值功率可以用在本发明的去除加工中。在一示范性实施例中，功率略大于去除阈值功率的脉冲用于从模具中去除多余的材料。
具有基本上与例如上述透镜形状40相匹配的模腔42的模具材料41可以进一步进行加工，以在模腔42上包含一薄膜材料。如上所述，参考图3，薄膜33至少理想地形成于模腔32的表面上，以便防止在制造光学透镜的模具加工过程中透镜材料(图3中未示出)粘连到模具31上。如上所述，根据现有技术的薄膜沉积可能存在不希望的薄膜表面误差和波状起伏(图3中未示出)，这可能增大下面的模腔表面误差，因而在薄膜表面上存在甚至更大的表面波状起伏。但是，根据本发明，由于提高了薄膜下的激光加工模腔表面的的形状精度，薄膜的施敷可以防止形成这种误差和波状起伏。
在本发明的另一实施例中，薄膜可以由包含例如镍、钛、铌、钒、钼、铂、钯、铱、铑、锇、钌、铼、钨和钽中的一种或多种的金属或合金形成。此外，可以用物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)、离子束沉积、或者电镀法施敷薄膜。通常，希望被施敷的薄膜具有预定的厚度，以与下层表面的特征相匹配，从而与理想透镜形状相匹配。在一实施例中，预定薄膜厚度例如为1～5微米。本领域的技术人员将会认识到，取决于被模制的光学透镜材料，替换的薄膜材料也可以用于每个特定应用中。或者，可以不需要薄膜，因而其可以省略。
图5示出了本发明的另一实施例，其中在激光去除加工之前施敷薄膜。在该实施例中，提供包括其上具有模腔表面误差49的模腔42的模具材料41，释放材料薄膜53至少形成于模腔42的表面上。可以利用上述一种或多种工艺形成薄膜53。形成薄膜53的实质是形成薄膜模腔52，其具有一个或多个薄膜表面误差59。通常，这些误差由不希望地伸进薄膜模腔中而偏离模腔的理想形状的释放材料引起(例如在理想凹面形状上的波状起伏)。薄膜表面误差59可能由于薄膜53下的模腔表面误差49、制造不精确、或者任意个环境条件的存在而形成。可以看出，所产生的薄膜模腔52并不会与理想透镜设计50所希望地一致。
在校正薄膜释放层53上的误差59之前，可以用高精密检测装置(图5中未示出)检测和测量误差59，该高精密检测装置例如可以是激光干涉仪、白光干涉仪、线性可变位移传感器、或任意形式的扫描探针显微镜(SPM)，诸如扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、近场扫描光学显微镜(NSOM)、或剪力显微镜(ShFM)。高精密检测装置可以理想地大致测绘出薄膜模腔52的表面上的所有误差59。在误差59被检测之后，将激光束55按所希望地投射在薄膜表面误差59中的第一个上，于是激励激光源(未示出)，以通过释放出至少一个光脉冲、理想的是多个叠加脉冲来产生激光束55，去除伸进模腔52而偏离理想透镜设计50的释放材料，从而校正误差。然后，按照预定算法将激光束55重新投射到另一个模腔表面误差59上，于是激励激光源，以使激光束55可以理想地去除另一个误差。重复上述过程，直到薄膜模腔52被精加工至几乎全部去除所识别的表面误差，从而使模腔52与理想透镜设计50相匹配，如图5E所示。如上所述，激光源通常可以是任何超快短脉冲激光器，诸如飞秒激光器或者皮秒激光器。
图6示出了本发明的另一实施例，其中激光束65可以相对模腔42 的表面加以调节，以致当按照示范性的路径算法移动模腔42的表面时，能够保持近似法向入射角，以沿其路径理想地校正模腔表面误差49。或者，当它沿其路径移动时，激光束65入射到模腔42的表面大致可以保持在任何理想的入射角。例如，如图6C所示，激光束65可以平行于模具41的旋转轴60直射。在图6C所示的示范性实施例中，激光束65的偏振可以改变，以减少在激光表面加工过程中由于受激的伍德异常而导致的增大表面粗糙度的潜在可能性。
图6A表示模腔42的俯视图(如微斜的坡度所示)，按照示范性的路径算法66，激光束65沿激光路径64移动。激光路径64示出了具有激光束65的光斑的逐渐清晰的虚像及时沿其路径中的增加先前点的激光移动。激光束65逐渐清晰的虚像也表明在沿激光路径64的任意点上理想的多个叠加短脉冲光束发射在模腔表面上。如图6A所示，激光可以按理想的路径移动扫射，其中激光被操作，以用于发射具有一缺隙(脉冲之间的周向距离)的短脉冲，以使得出现沿光路的理想部分由连续脉冲去除的区域理想叠加。该缺隙典型地选择为小于或等于由每个脉冲去除的区域的宽度的1/2，理想地小于或等于该宽度的1/3，优选小于或等于该宽度的1/10。
在本发明的一实施例中，模腔42大致呈圆形对称状，激光束65可用于理想地校正模腔42中的误差，以基本达到理想形状40。应该指出，表面形状中的误差通常可能是近似圆形对称的，特别是，如果误差为由磨削或切削模腔引起的刀具痕迹的话。这些刀具痕迹典型地沿螺旋路径分布，并具有充分封闭至近似同心圆的多个环。因此，这些误差的校正可以通过沿大致圆形对称模腔42的周边以顺时针方向或者逆时针方向(例如沿去除路径64)以预定旋转速率移动激光束65的光斑来实施。然后，以预定频率激励激光源(未示出)，以将光脉冲作为激光束65沿着 模腔的周边施加，其中由连续施加的脉冲切削的区域的中心以预定的圆周距离隔开。典型地，预定的圆周距离小于被激光束65去除的区域的直径，例如可以是每个脉冲的去除区域的直径的1/2或者更小。该去除加工可以在模腔当前的周边上重复，直到沿着周边的近似圆形对称模腔的周边的误差被校正为止。然后，可以以预定的径向距离径向移动模具或者光斑，以使光斑绕近似圆形对称模腔的一个新的周边移动。该新的周边可能是一个更小的周边，或者是一个更大的周边。重复该加工，直到理想地消除模腔的误差。
在本发明的另一实施例中，对于每个周边，激励激光器的预定频率可以变化至一预定值，以便使得在由连续施加的脉冲去除的区域的中心之间的预定圆周距离对各周边中的每一个来说大致保持不变。或者，对于每个周边，模具或光斑的预定旋转频率可以变化至一预定值，以便使得在由连续施加的脉冲去除的区域的中心之间的预定圆周距离对各周边中的每一个来说大体保持不变。
在本发明的一实施例中，示范性路径算法66表示在模腔表面形状的精加工过程中激光束65的移动。图6A示出的示范性路径算法66例如沿模腔的外周边逆时针移动激光束65。在至少一周逆时针扫射之后，激光束65向下步进到模腔的更近的周边(即更靠近模腔的中心)处，再次执行逆时针扫射。在逆时针扫射期间，可基于模腔表面误差选择地激励激光束65，以理想地去除波状起伏，从而校正误差。必要时重复该过程，以理想地改进模腔的表面形状。在另一实施例中，可以相对于至少在模腔表面上施敷的薄膜的薄膜模腔表面(图6中未示出)执行上述过程。
图7示出了一示范性电动设备700，用于实施本发明一实施例的激光去除算法。工作台X移位器702、Y移位器704和Z移位器706是无电刷、无芯线性电动工作台，用于相对激光束710移动由转动移位器708 保持的光学模具712至理想位置。在以Z方向作为其径向轴的圆柱坐标系统中，激光束710可以以任意Ф角对准。在一个实施例中，Ф可以设定为在近似+90°和-90°之间的任意角度。在另一个实施例中，Ф在整个去除过程中可以动态改变，以便维持激光束710和模具712的表面之间的理想对准。
一旦激光束710和模具712彼此相对放置以使模具712的表面位于大体等于激光束710的焦点的距离上，激光去除加工便可以开始。旋转移位器708理想地以预定转速转动模具712。当模具712正在转动时，激光710被选择性地激励，以发射脉冲到模具712的表面上，从而使叠加的脉冲去除模具712的表面上的误差。脉冲时序取决于每个脉冲图的平均去除量和在模具712的表面上的波状起伏的大小及位置，其利用高精度检测装置事先确定。在一个实施例中，每个脉冲可去除表面上近似0.1-10nm厚的一层。从图7中可以看出，可以定位激光710，以沿距离模具712的表面的中心具有一定半径的圆形路径施加脉冲。一旦表面误差沿初始路径被去除，电动工作台设备700便可以移动模具712，以使激光712沿着距离所述中心具有不同半径的圆形路径施加脉冲。或者，激光710可以移动，以通过不同的圆形路径半径施加脉冲。可以重复该过程，直到模具712的表面上的波状起伏已经理想地去除或最小化为止。
尽管图中所示的本发明的实施例显示了大致水平的模具和透镜，但本领域的技术人员将会认识到，这并不是本发明的要求。通常，在圆柱坐标系统中，模具或者透镜可以以任意θ和Ф角被保持。此外，它们可以大致垂直放置，以便在去除加工过程中从模具上射出的碎屑可以远离模具表面。此外，空气射流可以吹过模具，以使去除过程中碎屑吹离模具表面。
在本发明的一个实施例中，可以在辅助气体存在和/或当辅助气体吹过模腔表面的同时进行激光去除加工。在该实施例中，当激光束通过波状起伏时选择性地激励激光可以施加光脉冲，其化学激励波状起伏上的辅助气体，从而改进了模腔中的误差的去除。在另一实施例中，这种化学激励去除可以校正薄膜或者透镜表面上的误差。辅助气体可以包括例如N2、Ar、O2、空气、CF4，Cl2、H2或者SF6中的至少一种。
图8示出了本发明的示范性实施例的几种示范性制造方法的流程图。在该流程图中，利用假想的加工模块和可选的加工模块示出了示范性可选方法。实际的装配方法将使用各路径中的一个，并没有任何判定模块。
示范性加工可从下面所述的步骤800a、800b和800c所示的三种方式之一开始。步骤800a提供一模具材料块，在步骤802a中，在该模具材料中形成一模腔。该模腔这样形成，以使得它大体上与理想的物镜形状相匹配。但是，在步骤800b中，提供一已经含有模腔的模具材料块，因而绕过步骤802a。在步骤804a中，至少在模腔上形成薄膜。该过程用虚线示出，因为它可以省略或者在步骤816中选择“否”条件后执行(图8中未示出)。另一开始步骤800c提供一含有模腔和在该模腔上形成的薄膜的模具材料块。
执行步骤810，以根据前述步骤中采用的路径检测和测量薄膜或者模腔表面上的表面误差。如果采用在模腔上形成薄膜的路径的话，则步骤810便检测和测量薄膜表面上的表面误差。反之，如果采用尚未在模腔上形成薄膜的路径的话，步骤810便直接检测和测量模腔表面上的表面误差。在步骤810中所检测的误差通常表现为在薄膜或者模腔表面上的波状起伏，其意味着偏离理想透镜设计。步骤810也可以包括识别和区分误差的步骤(例如为模腔的柱状图或表面映象)，其列出因其位置和形状的误差，并定义出理想脉冲图样，以校正各误差。
一旦步骤810已经测绘出薄膜或者模腔的表面上的误差，步骤812 便将激光定位在指定为当前误差的第一识别误差上。在该实例中，表面误差可以是在材料表面上的一个或多个邻近的波状起伏，在它们之间具有最小的路径间隙。步骤814激励激光器发射出至少一个短脉冲光束，其通过去除引起误差的波状起伏理想地校正当前误差。通常，可以施加各脉冲，并利用施加的多个脉冲去除表面误差至理想深度。而且，如图6A所示，进行激光的激励，以在发射至少一个短脉冲的同时可以依照预定算法沿预定路径移动激光，以便例如选择地性产生的脉冲可以以10个或者更多为一组地叠加，以去除表面误差。步骤816判定是否在薄膜或者模腔的表面上还存留有任何另外的误差。如果存在另外的误差，便指定下一个误差为当前误差，控制返回到步骤812，将激光定位在当前误差上。步骤814理想地去除当前误差，转移控制到步骤816。重复该过程，直到不再有另外的误差存留在薄膜或者模腔上为止，转移控制至“完成”状态888，从而意味着已经完成理想的高精度、激光精加工模具。在另一个实施例中，步骤812、814和816可被包括在步骤810中。在步骤810中，整个激光去除加工可以由算法来定义，其包括关于要求用于校正各表面误差的脉冲个数、这些误差的准确位置和用于有效消除误差的预定算法的信息。预定算法可以是激光移动时序，其以最小的移动次数使激光相对模具从第一误差移动到最后误差，并用1至10或更多个叠加光脉冲理想地校正每个表面误差。在另一实施例中，预定算法可以是激光脉冲时序，其中光学模具根据关于图7的描述旋转，并按脉冲时序激励超快激光，以便理想地去除误差。
如果没有采用步骤804a在模腔上形成薄膜，则一旦模腔的精加工完成后就可以执行该处理，并控制转移到步骤888。在另一个实施例中，对于高精密、激光校正的模具，可以理想地从步骤810执行上述处理，其中薄膜形成于模腔上，步骤810-816理想地去除由于形成薄膜引起的任何 误差。
在本发明一可选实施例中，如图9所示，提供光学透镜91。光学透镜91是根据现有技术处理形成的，因此与理想透镜形状具有不希望的偏差，该偏差为伸出光学透镜91的表面而偏离理想透镜形状90的透镜材料。在另一个实施例中，激光源(未示出)可以基于一个或多个与理想透镜形状90的偏差激励，以产生激光束95并去除伸出光学透镜表面而偏离理想透镜形状90的透镜材料，从而校正该偏差并精加工光学透镜91，以符合理想的透镜形状90。还希望至少基于其偏差在光学透镜91上涂敷一层基本上吸收光的临时涂层(图9中未示出)，这里光吸收涂层可以理想地增加来自激光束95的脉冲光束的吸收能力。
图10示出本发明的可选实施例的示范性制造方法的流程图。在本实施例中，利用上述激光去除加工直接精加工光学透镜，以理想地去除表示与理想透镜形状的偏差的表面误差。步骤900提供光学透镜。然后，步骤910检测和测量光学透镜的表面误差，其中表面误差可以是波状起伏，表示与理想透镜形状的不希望的偏差。在该步骤中，尽管不是必要的，光学透镜表面误差可以涂敷基本上吸收光的临时性膜，其可以用于理想地增加在去除加工中使用的激光束的吸收能力。
一旦步骤910测绘出光学透镜表面上的误差，步骤912便将激光定位在指定为当前误差的第一确定误差上。步骤914激励激光发射短脉冲光束，其理想地去除当前误差。激光激励步骤可以与步骤814大致相同。步骤916判定是否在光学透镜的表面上还存留有任何另外的误差。如果存在另外的误差，便指定下一个误差为当前误差，控制返回到步骤912，将激光定位在当前误差上。步骤914理想地去除当前误差，转移控制至步骤916。重复该过程，直到不再有另外的误差存留在光学透镜的表面上为止，转移控制至“完成”状态999，从而意味着已经完成理想地高精度、 激光精加工光学透镜。在另一个实施例中，步骤912、914和916被包括在步骤910中。在步骤910中，完整的激光去除加工可以由算法来定义，包括关于要求用于校正各个表面误差的脉冲个数、这些误差精度和理想地去除误差的预定算法的信息。预定算法可以是激光移动时序，其使激光以最少的移动次数从第一误差移动到最后误差，并用1至10或更多个叠加的脉冲光理想地校正每个表面误差。在一可选实施例中，预定算法可以是激光脉冲时序，其中光学模具根据关于图7的描述旋转，并按脉冲时序激励超快激光，以便理想地去除误差。
图11示出了示范性激光加工系统的方块图，其可以使用本发明的示范性方法改进装置1128的高精度表面的形状。该示范性系统通过去除偏离预定表面设计形状的部分高精度表面的装置材料，从而理想地改进表面形状。
该系统包括脉冲激光源1100，用于产生多个脉冲激光，其可以沿光路1101传播。激光源1100可以是任意超快短脉激光器，例如飞秒激光器或者皮秒激光器。理想地，激光源可以包括典型地用作激光加工应用的任何类型的固态增益介质，例如：Cr:YAG(峰值基波长，λf＝1520nm)；Cr:镁橄榄石(λf＝1230-1270nm)；Nd:YAG和Nd:YVO4(λf＝1064nm)；Nd:GdVO4(λf＝1063nm)；Nd:YLF(λf＝1047nm和1053nm)；Nd:玻璃(λf＝1047-1087nm)；Yb:YAG(λf＝1030nm)；Cr:LiSAF(λf＝826-876nm)；Ti:蓝宝石(λf＝760-820nm)；和Pr:YLF(λf＝612nm)。可以使用标准光学泵浦系统诸如闪光灯、掺铒纤维激光器、和二极管激光器泵浦这些固态增益介质，其输出脉冲可以直接耦合到固态增益介质中或者可以在用于注入固态增益介质之前经过谐波生成。固态增益介质可以设置成操作如激光振荡器；单通放大器；和/或多通放大器中的一个或多个。该元件还包括光学器件，用于大体上准直激光。
激光源1100可以理想地产生近傅立叶变换极限脉冲。超快激光源可被期望产生出具有例如小于约1ns、典型地小于50ps的脉冲宽度的脉冲。超快短脉冲激光用于去除加工可以理想地避免模腔的热变形，并通过剥离照射原子和电子、主要是蒸发掉毫微米至亚毫微米精度的波状起伏而用于消除不理想的波状起伏。
或者，激光源1100可以包括受激准分子激光器系统(例如，XeCl，λf＝308nm；KrF，λf＝248nm；ArF，λf＝193nm；或F2，λf＝157nm)，染料激光器系统(如7-二乙基氨基-4-甲基香豆素，Af＝435-500nm；苯甲酸，2-[6-(乙基氨基)-3-(乙基亚氨基)-2，7-二甲基-3H-氧杂蒽-9-基]-乙酯，一氢氯化物，Af＝555-625nm；4-二氰基亚甲基-2-甲基-6-(对-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃，Af＝598-710nm；或者2-(6-(4-二甲基氨基苯基)-2，4-新戊二烯-1，3，5-己三烯基)-3-甲基苯并噻唑高氯酸酯，Af＝785-900nm)，或者使用在激光加工应用中的其它激光器系统。
每个脉冲激光理想地具有预定的峰值波长。该峰值波长取决于用在激光源1100中的激光振荡器的增益介质。此外，激光振荡器1100可以产生具有基峰值波长的初始脉冲激光，其长于预定峰值波长。可以包括谐波发生晶体1102以根据由激光振荡器产生的激光的初始脉冲，产生具有预定峰值波长的脉冲激光。
激光的每个脉冲也希望具有等于或稍大于加工能级的脉冲能量。该加工能级取决于多个因素而定，例如在将被加工的高精度表面上的光斑的大小和每个脉冲可理想去除的材料深度。应该指出，在机械加工过程中脉冲的理想脉冲能量可以变化。尽管由激光源1100产生的脉冲的脉冲能量可以直接加以调节，但这也可能导致峰值波长、脉冲宽度、或者其它与激光脉冲有关的参数不希望地变化。因此，允许控制脉冲能量，可希望具有一个脉冲激光振荡器，其产生具有等于最大理想脉冲能量的预 定初始脉冲能量的脉冲激光。然后可以利用与处理器1130相连的用于控制脉冲激光的脉冲能量的可变衰减器1106控制这些初始脉冲的脉冲能量，即使当加工能级变化时。
可变衰减器1106可以理想地精确控制脉冲能量，因而控制光束的积分通量。可变衰减器1106理想地为偏振型可控可变衰减器，其可以承受与超快激光有关的峰值功率。例如布置在可控偏振旋转件任意一侧的一对线性偏振元件，例如波可尔斯盒、克尔盒或者液晶。或者，固定的线性偏振元件和旋转偏振元件可以用作可变衰减器1106。
激光的脉冲理想地由具有恒定重复率的脉冲激光源1100产生。重复率越高，激光加工系统的操作越快，但这也增加了占空度和激光源1100以及其它系统元件的热扩散。理想的重复率至少约为1KHz，不过20KHz或更大的高重复率也被预期。
尽管激光源1100理想地以恒定重复率操作，但它也可以理想地以非恒定的重复率对高精度表面进行加工。因此，光闸1104与脉冲激光的光路1101对准。理想地，光闸1104可以包括机械快门，以使：1)在装置1128重新对准以加工高精度表面的其它部分的过程中光束被阻挡，或者2)当装置1128被移开时，另一个新的装置安装到五轴装置支座1122上。应该指出，机械斩波器(chopper)可用于减少通过光闸1104传播照射到装置1128的高精度表面上的脉冲的数量。
或者，光闸1104可以包括高速电光脉冲检出器/拾取器(pulsepicker)。这种脉冲检出器可理想地具有小于由激光源1100产生的脉冲激光的重复率的倒数的切换时间。该持续时间的切换可以允许来自由激光源1100产生的多个脉冲中的各脉冲可选择地通过光闸1104或被光闸1104阻挡。该通过光闸1104的脉冲选择性传输可以响应来自处理器1130的信号。当由在五轴装置支座中的传感器监控时，基于在高精度表面上 的光斑的位置，这些脉冲检出信号可以由处理器1130产生。这些传感器的操作在下文中详细描述。
高速电光脉冲检出器可以基于多种电光装置中的一个，包括：波克尔斯盒(Pockels cell)；马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪；克尔盒(Kerrcell)；液晶；或者电吸收元件(electroabsorption cell)。超快激光的峰值功率可能对这些装置的多种带来问题，并导致困难，例如基于脉冲检出器的电吸收元件中的高电流密度和基于脉冲检出器的液晶中过量的热。这些示例性的困难可以通过扩大电吸收元件或者使用多个吸收脉冲能量的偏光层加以克服。对这些示范性高速电光脉冲检出器、尤其是对从高重复率(＜20kHz)激光源中检出脉冲而言，关于在透光状态和遮光状态之间的快速切换的潜在需要可以引起额外的困难。具有低感应系数并可能包括使用多个可连续充放电的电容器的高速电路可以用于提供必要的电信号，以操作这些示范性高速电光脉冲检出器。
当这种高速电光脉冲检出器用于从由激光源产生的周期脉冲中传输任意脉冲列的同时，也可以理想地使用高速电光脉冲检出器来选择性地传输每第n个脉冲(其中n是正整数)，同时阻挡其它脉冲。这创建了一个有效的照射高精度表面的脉冲激光的重复率，其等于激光源的重复率除以n。例如，这对加工圆形对称表面来说是特别理想的，其中当光斑扫描半径更小半径的环时，较低的重复率可能是理想的。如上所述，理想的是，光斑在高精度表面上的扫描速率小于光斑的直径乘以照射高精度表面的激光脉冲的有效重复率的一半，或优选小于光斑直径乘以有效重复率的十分之一，但是，较低的扫描速度可能导致从相同位置辐射的额外去除太多次。因而，在圆形对称表面的中心附近，圆形扫描可能要求不合理的高转速，除非降低重复率。处理器1130可以用于控制高速电光脉冲检出器，以使重复率与距离圆形对称高精度表面的中心的径向距 离相匹配，从而使心轴1124的转速可以保持在理想的范围内。另一种避免在圆形对称高精度表面的中心附近过量去除的方法是利用处理器1130控制光斑的直径，以使光斑在高精度表面上的扫描速率小于光斑直径乘以照射高精度表面的激光脉冲的有效重复率的一半。光斑直径可以通过调节物镜1120或者通过使用五轴装置支座1122移动装置1128到物镜1120的不同聚焦位置上加以控制。
图11的示范性激光加工系统还可以包括与光路对准的偏振控制构件1110，以控制多个脉冲激光的偏振。偏振控制构件可理想地控制脉冲激光的偏振，以使光斑中脉冲大体上被圆形偏振化，或者可以允许控制偏振，以允许各种椭圆偏振。
应该指出，可变衰减器1106理想地产生在已知方向上线偏振的激光。这是因为线偏振光可理想地作为偏振控制构件1110的入射光，例如，其可以包括1/4波片(可能可旋转)以及可以包括线性偏振旋转器。尽管这种示范性偏振控制构件使用线偏振输入光，但本领域的技术人员可以理解，也可以使用具有其它偏振、对偏振控制系统的元件具有微小变化的偏振光，只要输入光的偏振是已知的。也需要指出，可以增加固定的线性偏振器(未示出)。
线性偏振旋转器、例如起到旋转半波片的可控偏振旋转件可用于可控制地将通过可变衰减器1106传输的激光脉冲的偏振方向转动到希望的角度。该线性偏振旋转器理想地为半波片，其可以物理地旋转，或者可以为电光器件，例如波克尔斯盒、克尔盒或者液晶，其可以基于所施加的电场以可控制的量旋转光的偏振方向。然后可旋转1/4波片，以改变脉冲激光的偏振至具有椭圆偏振。或者，可以单独使用固定的1/4波片，以将脉冲激光的偏振转变成圆偏振。
各种光学元件、例如转向反射镜1108和1118以及物镜1120与光路 对准，以将脉冲激光引导和聚焦为装置1128的高精度表面上的光斑。物镜1120可以是在图12A、12B和12C中示出的示范性多位置原位识别设备1200的一部分。
示范性多位置原位识别设备1200包括具有物镜1120的多位置原位识别光闸1202和安装在多位置原位识别光闸1202上的面向前光束对准摄像机1204以及面向后光束品质摄像机1206。面向前光束对准摄像机1204理想的是具有足够分辨率的CCD摄像机(CCD camera)，以通过激光的脉冲成像高精度表面上将被去除的特征，面向后光束品质摄像机1206理想的是能够提供脉冲的空间模型结构的横截面图像的CCD摄像机。面向后光束品质摄像机1206可以包括狭窄的带通滤光器，以提高其空间模型结构图像的品质。
在原位识别光闸1202中理想地是设计成可反复停止在特定位置的线性移动台。图12A、12B和12C示出了示范性多位置原位识别设备1200的三个位置，即第一光闸位置(图12A)、第二光闸位置(图12B)、第三光闸位置(图12C)。安装在多位置原位识别光闸1202上的三个元件中的任何一个可以与这些位置之一的光路1101对准。
图12A示出了处于第一光闸位置的多位置原位识别光闸1202，其中物镜1120与光路1101对准，以将多个脉冲激光聚焦成光斑。
图12B示出了处于第二光闸位置的原位识别光闸1202，其中当多位置原位识别光闸处于第一光闸位置时，面向前光束对准摄像机1204与光路1101共线对准，以使其可以成像来自对应于光斑位置的装置的高精度表面上的去除区域的反射光1208。这允许面向前光束对准摄像机1204产生与所照射区域匹配的对准图像。然后，处理器1130基于该对准图像确定初始光束对准。该对准信息允许处理器1130控制光闸1104和五轴装置支座1122，以选择高精度表面的特定区域，从而用激光脉冲照射。应 该指出，当原位识别光闸1202处于第二光闸位置时，可能不希望脉冲沿光轴1101传输。当原位识别装置处于第二光闸位置时，如果脉冲沿光路1101传输，在与面向前光束对准摄像机1204相反的原位识别光闸1202上可以提供光束挡板(未示出)，以防止损坏面向前光束对准摄像机1204。
图12C示出了处于第三光闸位置的原位识别光闸1202，其中面向后光束品质摄像机与光路1101共线对准，以使其可以成像激光脉冲的横截面图像，其被用来判定光束品质。
应该指出，物镜1120、面向前光束对准摄像机1204和面向后光束品质摄像机1206可以理想地沿光闸平移线成行排列在多位置原位识别光闸1202上，如图12A、12B和12C所示。在该示范性实施例中，多位置原位识别光闸1202通过沿光闸平移线平移在各装置位置之间移动。理想地，光闸平移线大致对准垂直于光路1101和大致平行于装置支座1120的θ转台1126的θ轴，如图11所示。该方位允许θ转台1126最大的移动范围，且不会被多位置原位识别光闸1202阻挡。或者，它们可以以圆弧形安装和旋转就位。
可以设想，多位置原位识别设备1200可包括：XY透镜平移台(未示出)，其将物镜1120连接到原位识别光闸1202上，当处于第一光闸位置时，使光路1101的轴线与物镜1120的中心对准；XY摄像机平移台(未示出)，其将面向前光束对准摄像机1204连接到原位识别光闸1202上，当处于第二光闸位置时，使光路1101的轴线与面向前光束对准摄像机1204的中心对准；XY摄像机平移台(未示出)，其将面向后光束品质摄像机1206连接到原位识别光闸1202上，当处于第三光闸位置时，使光路1101的轴线与面向后光束品质摄像机1206的中心对准。
图11的示范性激光加工系统还包括用于保持或可控制地移动装置1128的五轴装置支座1122，以使光斑可以扫描整个高精度表面。五轴装 置支座1122可以布置成类似于图7中示出上面详细描述的示范性电动设备700。五轴装置支座1122理想地具有移动台，以沿五个轴控制装置1128的移动：三维正交线性平移台；θ旋转台1126，其可以与三维正交线性平移台相连，以绕垂直于光路1101的θ轴旋转该装置；Ф旋转台1124，其与θ旋转台1126相连，以绕垂直于θ轴并随θ旋转台1126旋转而变化的Ф轴旋转该装置。在五轴装置支座1122中还具有与Ф旋转台1124相连以保持装置1128的支架(未示出)。
应该指出，θ旋转台1126可以允许装置1128旋转大约180°的角度。该角度可以根据物镜1120(或多位置原位识别设备1200)所需要的空间而减小。
在示范性实施例中，Ф旋转台1124可以是如图11所示的心轴移动台。处理器1130可以控制心轴移动台以大致恒定的角速度绕Ф轴旋转装置1128。如上所述，恒定的角速度是理想的，以使得光斑在高精度表面上的扫描速率小于光斑的直径乘以脉冲激光照射高精度表面的重复率的一半。
在本发明的另一示范性实施例中，三维正交线性平移台中的每一个可以包括一线性位置传感器，以检测相应的线性平移台的线性位置，θ旋转台1126包括一与处理器电连接的θ位置传感器，以检测其θ位置；Ф旋转台1124包括与处理器电连接的Ф位置传感器，以检测其Ф位置。全部五个位置传感器与处理器1130电连接。处理器1130可以基于预定的表面设计形状确定光斑在高精度表面上的扫描位置、由三个线性位置传感器所检测的三个正交线性位置、由θ位置传感器所检测的θ位置，由Ф位置传感器所检测的Ф位置，且如果已经测量的话，确定初始的光束对准。处理器1130还可以根据该数据确定脉冲激光在高精度表面上的入射角。
包括一般用途的计算机、数字信号处理器、特殊用途的电路和/或应用特定集成电路中的至少一个的处理器1130可以使用该信息来控制激光加工过程的多个参数。
处理器1130控制的示范性参数可以包括：激光脉冲的脉冲能量，光斑的直径，通过光闸1104传输的脉冲的脉冲列；被扫描的高精度表面部分；扫描速率；和激光脉冲的偏振。在一个示范性实施例中，处于加工能级的激光脉冲的脉冲能量和光斑的直径使得每个激光脉冲从高精度表面上以一定的去除深度去除装置材料。理想地，去除深度可以是约0.01μm至10μm。更小的去除深度可以改进高精度表面的形状成形精度，而更大的去除深度允许更快地去除大的表面误差。处理器可以用于根据高精度表面与理想形状的偏差减小去除深度。
光闸1104和五轴装置支座1122可以协作控制，以主要使仅仅偏离预定表面设计形状的部分高精度表面被激光脉冲照射。理想地，光闸1104包括高速电光脉冲检出器，处理器1130可以控制，以使得：当扫描位置位于高精度表面的偏离预定表面设计形状的部分之一上时，选择性地传输单个脉冲或成组脉冲激光；以及当扫描位置处于高精度表面的其它部分上时，阻挡脉冲。
在一个示范性实施例中，处理器1130可以用于控制五轴装置支座1122的移动台，以当光斑扫描偏离预定表面设计形状的高精度表面部分时，保持脉冲在高精度表面上的入射角大致为0(即垂直于表面)。
在另一个实施例中，允许入射角变化，且处理器1130控制偏振控制构件1110，以调节激光脉冲的偏振。激光脉冲的偏振可以加以调节，以便脉冲在光斑中被椭圆偏振，其中基于激光脉冲与高精度表面之间的入射角的选择主偏振轴方向和偏振的椭圆率，以减少来自高精度表面的去除的受激伍德异常。
示范性激光加工系统还可以包括包围装置支座1122的辅助气体室和/或辅助气体喷射器，以将辅助气体吹到高精度表面上。这种辅助气体的使用在上述激光加工过程中可能是有用的。图13示出了围绕装置支座1122和物镜1120的示范性辅助气体室1300以及辅助气体喷射器1304。示范性辅助气体室1300包括与光路1101对准的透明窗1302，以透过激光脉冲。
图14示出了用于短波长光的示范性改进型非球面透镜1400。使用图11的示范性系统和上面描述的方法可以形成改进型非球面透镜1400的高精度表面1402和1406。该示范性透镜可以由诸如玻璃、蓝宝石、塑料或者它们的组合的透镜材料形成。非球面透镜1400的两个光折射表面1402和1406理想地具有与各自预定表面设计形状(如虚线1404和1408所示)匹配的表面形状，其最大偏差小于约1μm，理想地小于约0.1μm，优选小于约0.05μm。这些偏差垂直于理想表面测量。圆圈1410示出了可能残留于已完成示范性透镜中的光折射表面1402和1406与各自的预定表面设计形状的两个示范性偏差。应该指出，为了说明的目的，并没有按比例绘制这些偏差。
示范性非球面透镜可以通过直接加工透镜材料以形成透镜的两个光折射表面而形成。或者，这种示范性透镜可以用已经加工的与理想物镜表面匹配的压模大量生产。现有技术的形成这些表面的方法、例如机械磨削或者切削该表面在上面已经参考图1A、1B和2进行了描述。这些现有技术的方法在表面上留下偏离预定表面形状的螺旋形刀具痕迹。此外，如上所述，在表面机械加工的过程中轴杆的振动和其它问题可能导致其它较小的常规表面形状偏差。这些刀具痕迹偏差的量值可能不希望地很大，例如，在100μm的量级。如额外的机械抛光加工那样，细致的磨削或者切削表面可以减少这些刀具痕迹的量值，但将这些刀具痕迹减 小至使表面形状与表面设计形状的最大偏差为0.2μm或者更小被证明是很困难的。在短波长透镜和形成这些透镜的压力模具的情况下，0.2μm的偏差、特别是周期性的图案可能导致不希望的短波长光的衍射和散射。
机械抛光和其它机械加工步骤可能导致除刀具痕迹外的其它机械加工痕迹。取决于执行的机械加工和/或抛光加工的类型，这些其它机械加工痕迹可以包括刻痕、辐射状痕迹和交叉阴影痕迹。本发明的示范性激光加工方法可减少所有这些不同机械加工痕迹，包括刀具痕迹。理想地，这些示范性激光加工方法至多留下偏离理想表面形状小于约0.1μm、优选小于约0.05μm的机械加工痕迹的迹线。
示范性非球面透镜可能具有由材料缺陷和/或处理引起的其它偏差，这些偏差也可以利用本发明的示范性方法加以减少。
尽管所示两个光折射表面1402和1406具有图14中的球面形状，但本领域的技术人员可以理解，非球面透镜可以由仅仅一个非球面光折射表面形成。
图15示出了一用于短波长光的类似改进型示范性非对称透镜1500。该示范性非对称透镜包括具有偏离预定非对称表面设计形状的偏差1514的顶部非对称表面1502和底部平面1506。该示范性透镜的非对称性基于由线1508分开的第一透镜部分1510的表面1502和第二透镜部分1512的不同曲率。这产生具有不同焦距长度的两个透镜区。该非对称性已经被选择为仅仅用于简化说明，而并不意味着进行限制。也可以形成其它非对称透镜表面，包括复合透镜和多功能光学透镜的表面。
如上面参考图14所述，非对称透镜的表面可能具有由来自不同机械加工的机械加工痕迹引起的偏差，这些偏差可以利用本发明的示范性激光加工方法减少或消除。
图16示出了一种用于短波长非球面透镜的改进型压力模具。尽管图 16所示的示范性压力模具包括模具本体1600和释放膜1602，但可以设想，可以省略释放层1602，尤其是如果模具本体1600由具有优良释放(脱模)特性的材料形成的话。
形成模具本体1600的模具材料包括下列物质中的至少一种：碳化钨；蓝宝石；固态碳材料；Al2O3；Cr2O3；SiC；ZrO2；Si3N4；TiN；TiC；BN；Ni；Cr；Ti；W；Ta；Si；玻璃；包含TiN，TiC，Cr3C2和/或Al2O3的金属陶瓷；和/或包括Ni，Cr，Ti，W，Ta或Si中的至少一种的合金。模具本体1600包括模具表面1604，其具有与预定的非球面设计形状1606匹配的非球面模具表面形状，其最大偏差小于约1μm，理想地小于0.1μm，优选小于约0.05μm。圆圈1610示出了模具表面1604与预定的非球面设计形状1606偏差。
如上面参考图14和15所述，压力模具的表面可能具有由来自不同机械加工的机械加工痕迹引起的偏差，这些偏差可以利用本发明的示范性激光加工方法减少或消除。
此外，需要指出，许多模具材料例如碳化钨、钢和固态碳材料不能用金刚石工具很好地加工。使用其它工具例如钨车削头和/或磨削砂轮而由这些材料粗加工出的压力模具可能导致形成质量差的表面形状。另外，这些材料可能具有用于压力模具的理想特性。在由这些材料形成的压力模具中，与预定非球面设计形状1606具有很大偏差的质量差的表面可以用本发明的示范性激光加工方法之一进行改进，从而可以在高精度模具中使用这些模具材料。
释放膜1602形成于模具本体1600的模具表面1604上，具有与模具表面1604相对的释放表面1612。释放膜1602可以由下列材料中一种或多种形成：镍、钛、铌、钒、钼、铂、钯、铱、铑、锇、钌、铼、钨、钽。
与模具表面1604相似，释放膜1602具有与预定的非球面设计形状1614匹配的非球面释放表面形状，释放表面的最大偏差小于约1μm，理想地小于0.1μm，优选小于约0.05μm。圆圈1616示出了释放表面1602和预定非球面设计形状1614之间的偏差。应该指出，模具本体的预定非球面设计形状1606和释放膜的预定非球面设计形状1614典型地是相同的。
可以设想，可以形成期望其表面设计形状具有微米级精度的用于短波长非对称透镜或多种微结构的类似压力模具。也可以设想，用于压力模具的高精密释放膜、例如释放膜1602可以在品质较低的模具本体上形成以及利用本发明的示范性激光加工方法之一改进由释放膜形成的形状，以达到与预定表面设计形状的理想匹配。
图17示出了可能对高精密压力模具设计很重要的另一问题。模具本体1600的加工导致在模具表面1604上产生损坏层1700。该损坏层是模具材料的一部分，其在模具表面的加工过程已经改变。例如，该变化可以为模具材料的晶体结构的变化、材料氧化、积累应力和材料的变形或扭曲、材料重铸等等。该损坏层可能由机械、化学、热量、激光或其它表面加工引起。
该损坏层可能给压力模具带来许多问题。例如，如果损坏层1700是氧化层，释放膜层便不可能很好地粘附到模具表面1604上。薄膜层可能粘住但不能够承受挤压成型时所必要的力，可能在使用过程中与模具表面脱离。如果在模具表面上没有释放膜层形成，损坏层1700便可能改变表面性能，可能粘接到被模制材料上，或者在挤压成型加工过程中导致机械失败。此外，压力模具可能在使用过程中被加热。在损坏层1700中累积的压力或应力可能通过加热释放以及使表面形状变形。因此，希望尽量减小该层。表面的机械和/或化学加工可能导致更大的损坏层，可能 达数微米厚。由于照射材料的热影响区域周围的材料的加热，基于激光和其它辐射能量的加工方法可能产生损坏层。超快激光加工导致周围材料的更少加热，因此显著件小了相关热影响区域的尺寸。与其它加工方法相比，本发明的示范性激光加工方法可以加工出大大减少了损坏层的示范性压力模具。例如，使用本发明的示范性超快激光加工方法可以产生10nm或更薄的损坏层。
尽管上面就精加工/精整透镜模具或透镜描述了本发明的多个示范性实施例，可以理解，这里描述的这些示范性系统和方法可以用于精加工形成于材料中或材料上的任何特征。
尽管在上面参考一些具体实施例进行了说明和描述，但这并不意味着本发明局限于所示的细节。相反，在权利要求的等价范围和不脱离本发明的范围的情况下，可以对具体细节做出各种变化。

Claims (39)

1.一种改进材料的至少一个面上的高精度表面的形状的方法，包括以下步骤：
(a)提供在所述至少一个面上具有初始形状的所述材料；
(b)测量所述高精度表面的初始形状的包括机械加工痕迹的误差，该误差是指与理想形状的偏差；以及
(c)通过选择性地将来自激光器的激光脉冲施加到所述误差上来去除所述偏差，从而校正所述高精度表面的初始形状的误差，
所述形状为大致圆形对称特征；以及
步骤(c)包括以下步骤：
(c1)沿所述大致圆形对称特征的周边以顺时针方向或者逆时针方向以一定的旋转速率移动所述激光脉冲的光斑；
(c2)用所述激光脉冲以选定的脉冲频率沿所述大致圆形对称特征的周边照射所述高精度表面，以使得由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心以预定的圆周距离隔开；
(c3)重复步骤(c1)和(c2)，直到沿所述大致圆形对称特征的周边的所述误差基本上被校正为止；
(c4)以预定的径向距离将所述激光脉冲的光斑径向移动到所述大致圆形对称特征的更小周边或更大周边处；以及
(c5)重复步骤(c1)、(c2)、(c3)和(c4)，直到所述初始形状的误差基本上被校正为止。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供在所述至少一个面上具有初始形状的所述材料的步骤包括提供具有大致平面形状的材料的步骤。 
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中所测量的误差包括一个或多个波状起伏。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括在所述高精度表面上使用激光干涉仪、白光干涉仪、线性可变位移传感器、扫描探针显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场扫描光学显微镜、或者剪力显微镜中的至少一个，以测量与所述理想形状的偏差。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(b)包括基于所述初始形状的误差确定脉冲时序；以及
步骤(c)包括沿预定路径在所述高精度表面的所述至少一个面上移动光斑，并根据所述脉冲时序选择性地允许激光脉冲照射部分表面。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(b)包括基于所述初始形状的误差确定脉冲时序；以及
步骤(c)包括移动所述材料，以使所述至少一个面通过激光脉冲的光路，并根据所述脉冲时序选择性地允许激光脉冲照射部分表面。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括以下步骤：
(c1)移动所述材料，以使得所述大致圆形对称特征的周边以顺时针方向或者逆时针方向以一定的旋转速率通过所述激光脉冲的光斑；
(c2)允许所述激光器以一定的脉冲频率发出脉冲，以沿所述大致圆形对称特征的周边施加脉冲，其中由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心以预定的圆周距离隔开；
(c3)重复步骤(c1)和(c2)，直到沿所述大致圆形对称特征的周边的所述误差基本上被校正为止；
(c4)以预定的径向距离将所述材料径向移动到所述大致圆形对称特征的更小或更大周边处；以及 
(c5)重复步骤(c1)、(c2)、(c3)和(c4)，直到所述初始形状的误差基本上被校正为止。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括在所述初始形状上保持来自激光器的激光脉冲的预定入射角。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括激励所述激光器，以使得所产生的激光脉冲具有小于或者等于1纳秒的持续时间。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括下列步骤中的至少一个：
将所述材料置于辅助气体中，或
将所述辅助气体吹向所述材料的所述至少一个面上。
11.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，确定所述脉冲时序，以便与用于形成所述初始形状的缺隙相对应的距离小于或等于由单个激光脉冲去除的区域的长度的一半。
12.如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，步骤(c)还包括下列步骤中的至少一个：
改变每个周边处的脉冲频率，以保持由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心之间的预定的圆周距离；或
改变每个周边处的光斑的旋转速率，以保持由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心之间的预定的圆周距离。
13.如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述预定的圆周距离小于或等于去除区域的直径的一半。
14.一种改进高精度模具的形状的方法，包括以下步骤：
(a)提供在其至少一个面上形成初始形状的模具材料块；
(b)在所述该模具材料块的所述至少一个面上形成薄膜层；
(c)测量至少在所述初始形状上形成的所述薄膜层的表面的包括机 械加工痕迹的误差，该误差是指与理想模具形状的偏差；以及
(d)通过选择性地将来自超快激光器的激光脉冲施加到所述误差上以去除所述偏差，从而校正所述薄膜层的表面的误差，
所述形状为大致圆形对称特征；以及
步骤(d)包括以下步骤：
(d1)沿大致圆形对称特征的周边以顺时针方向或者逆时针方向以一定的旋转速率移动所述激光脉冲的光斑；
(d2)允许所述激光器以一定的脉冲频率发出脉冲，以沿所述大致圆形对称特征的周边施加脉冲，其中由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心以预定的圆周距离隔开；
(d3)重复步骤(d1)和(d2)，直到沿所述大致圆形对称特征的周边的所述误差基本上被校正为止；
(d4)以预定的径向距离将所述激光脉冲径向移动到所述大致圆形对称特征的更小和更大周边之一处；以及
(d5)重复步骤(d1)、(d2)、(d3)和(d4)，直到至少在所述初始形状上形成的所述薄膜层的表面的误差基本上被校正为止。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：
步骤(a)包括提供模具材料，其中所述初始形状包括形成于所述至少一个面上的模腔，所述模具材料包括下列材料中的至少一个：碳化钨；蓝宝石；固态碳物质；Al2O3；Cr2O3；SiC；ZrO2；Si3N4；TiN；TiC；BN；Ni；Cr；Ti；W；Ta；Si；玻璃；包含TiN、TiC、Cr2O3或Al2O3中的至少一个的金属陶瓷；包含Ni；Cr；Ti；W；Ta；Si中的至少一个的合金，以及
步骤(b)包括施加包含镍、钛、铌、钒、钼、铂、钯、铱、铑、锇、钌、铼、钨和钽中的至少一个的金属或合金。 
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中所测量的误差包括一个或多个波状起伏。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括在所述高精度表面上使用激光干涉仪、白光干涉仪、线性可变位移传感器、扫描探针显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场扫描光学显微镜、或者剪力显微镜中的至少一个，以测量与理想形状的偏差。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括基于所述薄膜层的表面上的误差确定脉冲时序；以及
步骤(d)包括沿预定路径在所述薄膜层的表面上移动所述激光脉冲的光斑，并根据所述脉冲时序选择性地允许脉冲光照射包含所述误差的部分表面。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括基于所述薄膜层的表面上的误差确定脉冲时序；以及
步骤(d)包括移动所述模具材料块，以使得至少在所述初始形状上形成的所述薄膜层的表面通过所述激光脉冲的光路，并根据所述脉冲时序选择性地允许激光脉冲照射包含所述误差的部分表面。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于：
步骤(d)包括以下步骤：
(d1)移动所述模具材料块，以使得沿所述大致圆形对称特征的周边以顺时针方向或者逆时针方向以一定的旋转速率通过所述激光脉冲的光斑；
(d2)允许所述激光器以一定的脉冲频率发出脉冲，以沿所述大致圆形对称特征的周边施加脉冲，其中由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心以预定的圆周距离隔开；
(d3)重复步骤(d1)和(d2)，直到沿所述大致圆形对称特征的 周边的所述误差基本上被校正为止；
(d4)以预定的径向距离将所述模具材料块径向移动到所述大致圆形对称特征的更小和更大周边之一处；以及
(d5)重复步骤(d1)、(d2)、(d3)和(d4)，直到至少在所述初始形状上形成的所述薄膜层的表面的误差基本上被校正为止。
21.如权利要求14或20所述的方法，其特征在于，步骤(d)还包括下列步骤中的至少一个：
改变每个周边处的脉冲频率，以保持由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心之间的预定的圆周距离；或
改变每个周边处的光斑的的旋转速率，以保持由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心之间的预定的圆周距离。
22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括保持来自激光器的激光脉冲与所述薄膜层的表面之间的预定入射角。
23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括下列步骤中的至少一个：
将所述材料置于辅助气体中，或
将所述辅助气体吹向所述材料的至少一个面上。
24.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，确定所述脉冲时序，以便与用于形成所述初始形状的缺隙相对应的距离小于或等于由单个激光脉冲去除的区域的长度的一半。
25.如权利要求14或20所述的方法，其特征在于，所述预定的圆周距离小于或等于去除区域的直径的一半。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括选择性地施加来自激光器的激光脉冲，以在所述误差上化学激活所述辅助气体，从而去除所述偏差。 
27.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述辅助气体包括N2、Ar、O2、空气、CF4、Cl2、H2或SF6中的至少一个。
28.一种制造高精度透镜的方法，包括以下步骤：
(a)提供具有初始透镜形状的透镜；
(b)测量所述透镜表面的包括机械加工痕迹的误差，该误差是指其与理想透镜形状的偏差；以及
(c)通过选择性地将来自超快激光器的激光脉冲施加到所述误差上以去除所述偏差，从而校正所述透镜表面的误差，
所述理想透镜形状为大致圆形对称特征；以及
步骤(c)包括以下步骤：
(c1)沿大致圆形对称特征的周边以顺时针方向或逆时针方向以一定的旋转速率移动所述激光脉冲的光斑；
(c2)允许所述激光器以一定的脉冲频率发出脉冲，以沿所述大致圆形对称特征的周边施加脉冲，其中由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心以预定的圆周距离隔开；
(c3)重复步骤(c1)和(c2)，直到沿所述大致圆形对称特征的周边的所述误差基本上被校正为止；
(c4)以预定的径向距离将所述激光脉冲径向移动到所述大致圆形对称特征的更小或更大周边处；以及
(c5)重复步骤(c1)、(c2)、(c3)和(c4)，直到所述透镜表面的误差基本上被校正为止。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括在所述透镜表面上使用激光干涉仪、白光干涉仪、线性可变位移传感器、扫描探针显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场扫描光学显微镜、或者剪力显微镜中的至少一个，以测量与理想透镜形状的偏差。 
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于：
步骤(b)包括基于所述初始透镜形状的误差确定脉冲时序；以及
步骤(c)包括沿预定路径在所述透镜表面上移动所述激光脉冲的光斑，并根据所述脉冲时序选择性地允许激光脉冲照射所述透镜表面。
31.如权利要求28所述的方法，其特征在于：
步骤(b)包括基于所述初始透镜形状的误差确定脉冲时序；以及
步骤(c)包括移动所述透镜，以使得所述透镜表面通过所述激光脉冲的光路，并根据所述脉冲时序选择性地允许激光脉冲照射所述透镜表面。
32.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于，确定所述脉冲时序，以便与用于形成所述初始透镜形状的缺隙相对应的距离小于或等于由单个激光脉冲去除的区域的长度的一半。
33.如权利要求28所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括以下步骤：
(c1)移动所述透镜，以使得沿所述大致圆形对称特征的周边以顺时针方向或者逆时针方向以一定的旋转速率通过所述激光脉冲的光斑；
(c2)允许所述激光器以一定的脉冲频率发出脉冲，以沿所述大致圆形对称特征的周边施加脉冲，其中由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心以预定的圆周距离隔开；
(c3)重复步骤(c1)和(c2)，直到沿所述大致圆形对称特征的周边的所述误差基本上被校正为止；
(c4)以预定的径向距离将所述透镜径向移动到所述大致圆形对称特征的更小或更大周边处；以及
(c5)重复步骤(c1)、(c2)、(c3)和(c4)，直到所述透镜表面的误差基本上被校正为止。 
34.如权利要求28或33所述的方法，其特征在于，步骤(c)还包括下列步骤中的至少一个：
改变每个周边处的脉冲频率，以保持由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心之间的预定的圆周距离；或
改变每个周边处的光斑的旋转速率，以保持由连续施加的脉冲去除的去除区域的中心之间的预定的圆周距离。
35.如权利要求28或33所述的方法，其特征在于，所述预定的圆周距离小于或等于去除区域的直径的一半。
36.如权利要求28所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括保持所述来自激光器的激光脉冲和所述初始透镜形状之间的预定入射角。
37.如权利要求28所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括下列步骤中的至少一个：
将所述透镜置于辅助气体中，或
将所述辅助气体吹向所述透镜表面。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括选择性地施加来自激光器的激光脉冲，以在所述误差上化学激活所述辅助气体，从而去除所述偏差。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述辅助气体包括N2、Ar、O2、空气、CF4、Cl2、H2或SF6中的至少一个。 
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