CN204771859U - 离子束抛光设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种离子束抛光设备。该离子束抛光设备包括：工件台、离子束发生器和运动控制系统。其中，工件放置于工件台上，离子束发生器发出形状和大小实时可控的离子束束斑；运动控制系统驱动工件台和/或离子束发生器运动，离子束束斑在工件表面移动，实现对工件的抛光。本实用新型中，离子束束斑的形状和大小均可控，从而提高了离子束抛光设备的可控性和控制精度。

Description

离子束抛光设备

技术领域

本实用新型涉及精密加工技术领域，尤其涉及一种离子束抛光设备。

背景技术

离子束抛光是一种超精密的光学加工技术。与传统抛光工艺不同的是，离子束抛光一种原子量级上的无应力、非接触式抛光，其基本原理是，在真空状态下利用具有一定能量的惰性气体(比如氩气)离子轰击工件表面，通过物理溅射效应去除表面材料。这种加工方式避免了传统工艺中因预压力所产生的表面或亚表面损伤，同时由于真空环境洁净度很高，加工过程中不会引入杂质污染。另外，离子束抛光可用于制作超光滑表面，目前，离子束抛光的光学元件均方根RMS精度最高可达0.1～0.2纳米。由于它具备高精度、无损伤和超光滑等优点，离子束抛光技术被广泛应用于精密光学元件加工和制造，特别是高端光学元件加工。

离子束抛光的加工尺寸范围很广，从毫米级的光学透镜到米级的天文望远镜都适用。然而，不同尺寸的光学元件一般要求使用不同规格的离子束抛光设备。对于大尺寸的抛光应用，往往需要专门定制大型的离子束抛光设备。这种设备价格昂贵，用途比较单一。

在现有的离子束抛光设备中，离子束轰击在光学元件上的方式有两种。第一种是离子源发出的离子束直接轰击在光学元件上，第二种是离子源发出的离子束经由一具有固定形状通孔的挡板后，成为具有一定横截面形状且强度比较均匀的离子束，而后轰击在光学元件上。相比于第一种方式，第二种方式可控性强，抛光效果好，已经成为离子束抛光普遍采用的设备。然而，随着对抛光精度的要求越来越高，其可控性已经不能满足要求。

此外，在现有离子束抛光技术中，离子束的扫描轨迹一般可分为两种形式：一种是S形光栅扫描式，如图1所示；另一种是螺旋形扫描式。对于S形光栅扫描，其扫描距离长，比较耗时，而螺旋形扫描只适用于处理圆形基片。

除了对加工设备的要求，离子束抛光过程的轨迹优化也是一个关键部分。离子束抛光是一种确定性的加工方法。在抛光过程中，离子束束斑沿一定的轨迹在工件表面进行扫描，计算机实时控制束斑的行走速度和加速度，从而改变了工件上各点的驻留时间和抛光深度。驻留时间的求解一般是通过反卷积运算来实现的，而反卷积问题是个病态问题，如果再考虑离子束抛光设备机械部件的动力学极限，这种传统求解方法存在一定的难度。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种离子束抛光设备，以提高离子束抛光设备的可控性及抛光精度。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供了一种离子束抛光设备。该离子束抛光设备包括：工件台、离子束发生器和运动控制系统20。其中，工件放置于工件台上，离子束发生器发出形状和大小实时可控的离子束束斑2；运动控制系统20驱动工件台和/或离子束发生器运动，离子束束斑2在工件表面移动，实现对工件的抛光。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型离子束抛光设备具有以下有益效果：

(1)采用了快门机构，该快门机构具有两个作用：(a)对离子束起到准直作用；(b)调节离子束的大小和形状，使得离子束在匀速扫描工作状态下也可调节抛光深度，从而进一步提高了离子束抛光设备的可控性和控制精度；

(2)离子束的扫描轨迹采用耕牛式折返匀速扫描，相比于现有技术中的S形光栅扫描或螺旋形扫描，扫描行程更短，控制更简单，精度更高；

(3)对于离子束抛光方法，不是采用一般驻留时间求解中的反卷积运算，而是基于最优化原理，先进行离子束扫描轨迹规划，再对快门运动轨迹进行优化计算。该方法计算效率较高，可降低计算成本。

附图说明

图1为现有技术离子束抛光设备中S形光栅扫描式离子束扫描轨迹的示意图；

图2A为根据本实用新型实施例离子束抛光设备的结构示意图；

图2B为图2A所示离子束抛光设备中快门机构中X向限束快门的控制示意图；

图3A和图3B为图2所示离子束抛光设备中两种离子束束斑扫描轨迹的示意图；

图4为图2所示离子束抛光设备中运动控制系统的结构示意图；

图5为根据本实用新型实施例离子束抛光方法的流程图；

图6是目标待加工面形；

图7A是离子束扫描轨迹规划过程示例图；

图7B是图7A所示离子束扫描轨迹规划过程中按照Y折返形扫描轨迹规划的示例说明图；

图8是均方根偏差RMSD与束斑横向宽度及扫描周期的关系曲线；

图9A和图9B分别是将X及Y折返形扫描所得待加工面形转换为待加工深度曲线的示例图；

图10是设置优化计算的控制变量的示例说明图；

图11是优化计算过程中的转换关系；

图12是刻蚀时间的有限时间求和计算示意图；

图13是优化的刻蚀时间曲线与目标刻蚀时间曲线的比较。

【符号说明】

1-离子束；2-离子束束斑；

10-快门机构

11-X向限束快门；

11a-第一挡板；11b-第二挡板；11c-驱动杆

12-Y向限束快门；

12a-第一挡板；12b-第二挡板；

20-运动控制系统；

21-上位机控制单元；22-下位机运动控制器；

23-电机驱动器；24-反馈元件；

30-工件；

41-X折返形扫描；42-Y折返形扫描。

具体实施方式

本实用新型涉及一种离子束抛光设备及应用其的离子束抛光方法，其通过对快门机构和操控方法的改进，进一步提供了离子束抛光设备的可控性和控制精度。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

在本实用新型的第一个示例性实施例中，提供了一种离子束抛光设备。图2A为根据本实用新型实施例离子束抛光设备的结构示意图。如图2A所示，本实施例离子束抛光设备包括：工件台、离子束发生器和运动控制系统20。其中，工件放置于工件台上，离子束发生器发出形状和大小实时可控的离子束束斑2。运动控制系统20驱动工件台和/或离子束发生器运动，所述离子束束斑2在工件表面移动，实现对工件的抛光。

以下对本实施例离子束抛光设备的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，工件台为至少可以在一个维度上移动的平台。现有技术中有各种各样的工件台，此处不再对其进行详细描述。

本实施例中，离子束发生器包括：发出离子束的离子源(未图示)；沿离子束束流出射方向安装在离子源前端的快门机构10，其具有一形状和大小实时可控的通孔。其中，离子源发出的离子束1经该快门机构10后，投射到工件30上，形成形状大小实时可控的离子束束斑2。

本实用新型对离子源并没有特别的要求，可采用现有技术的离子源，只要其发出离子束的径向尺寸大于快门机构10的孔径即可。此外，需要说明的是，由于离子束存在一定的发散度，束斑的口径可能比快门机构10的准直口径稍大，具体尺寸可通过刻蚀实验来确定，这并不会影响本实用新型的实施。

快门机构10设置于离子源和工件台之间，可根据实际要求适当调整其位置。快门机构可由沿离子束1轴线叠置的至少两个可独立控制的快门装置组成，从而形成上述的形状和大小实时可控的通孔。

参见图1和图2A，在离子束抛光过程中，从离子源发射的离子束经过快门机构后被准直，而准直后的离子束投射在工件30上形成离子束束斑2，离子束束斑2在工件30表面上进行匀速扫描。通过调节快门机构10的两个快门装置11和12，离子束束斑2的形状和大小发生改变。

在本实施例中，请参照图2A，快门机构10包括叠置的X向限束快门11和Y向限束快门12，两者限定出一矩形的通孔。其中，X向限束快门11在X方向上对离子束进行限束，Y向限束快门12在Y方向上对离子束进行限束。X方向和Y方向为相互垂直。两限束快门限定出矩形通孔，从而将离子束限束为一矩形的离子束。

本领域技术人员应当清楚，离子束束流密度是呈高斯分布的，束流发散度会随离束流中心的距离发生变化，距离越大，发散度越高，所以经过挡板缩小后的束流的发散度将变小，即起到准直的效果。当然，准直效果的好坏与通孔的大小和形状相关的。

本实施例中，X向限束快门11在X方向上限束的宽度可按照控制进行调整。同样，Y向限束快门12在Y方向上限束的宽度可按照控制进行调整。X向限束快门11和Y向限束快门12为相同的快门装置，只是安装位置和角度不同。

图2B为图2A所示离子束抛光设备中快门机构中X向限束快门的控制示意图。请参照图2B并结合图2A，X向限束快门11包括：相对平行设置并隔开预设距离的第一挡板11a和第二挡板11b；连接于第一挡板11a和第二挡板11b之间(或两者的延长线之间)的驱动杆11c；带动驱动杆11c旋转的驱动机构(未图示)。驱动机构电性连接至驱动控制系统20。在驱动机构的驱动下，驱动杆11c绕杆上某固定点(如中心点)旋转，与驱动杆11c两端连接的第一挡板11a和第二挡板11b相互朝靠近或远离的方向移动，从而改变第一挡板11a和第二挡板11b之间的间距，进而改变矩形通孔在X方向的宽度。

具体而言：随着驱动杆11c的旋转运动，X向限束快门11的第一挡板11a和第二挡板11b之间的距离W₀发生相应的变化。易知，两挡板间距W₀与驱动杆旋转角θ₀存在正弦关系，即W₀＝l₀sinθ₀，其中l₀为驱动杆的长度。

需要说明的是，本实施例仅设置了一个驱动机构并通过一个驱动杆11c来同时驱动X向限束快门11的两块挡板(即11a和11b)。另外，为了使第一挡板11a和第二挡板11b保持平行并做相对平移运动，可将两个挡板安装在一个直线导轨或具有类似功能的装置上。在本实用新型其他实施例中，还可以分别设置驱动第一挡板11a和第二挡板11b的机构，以使X向限束快门11的X方向宽度调节的自由度更高范围更广。本领域技术人员根据上文的说明，可以很清楚地了解其具体结构，此处不再赘述。

关于Y向限束快门12，其包括：第一挡板12a和第二挡板12b；连接于第一挡板12a和第二挡板12b之间的驱动杆(未图示)；用于带动驱动杆旋转的驱动机构(未图示)。Y向限束快门12的具体结构和控制方式与X向限束快门11是一致，此处不再重述。

本实施例中采用了快门机构，该快门机构具有两个作用：(a)对离子束起到准直作用；(b)调节离子束的大小和形状，使得离子束在匀速扫描工作状态下也可调节抛光深度，从而进一步提高了离子束抛光设备的可控性和精度，其具体过程将结合下文的内容详细说明。

本实施例中，快门机构10沿离子束束流出射方向安装在离子源栅网前端，由运动控制系统20控制工件台和/或离子源沿预设的扫描轨迹运动，从而离子束束斑在工件的不同位置移动，实现对整个工件的扫描抛光。

不同于现有技术中离子束抛光设备的扫描轨迹，本实施例离子束抛光设备的扫描轨迹包括两种模式：

(1)Y折返形扫描模式41，离子束发生器沿Y方向来回折返行走，工件台带动工件沿X方向单向行走，两种运动叠加的结果为：离子束束斑在工件表面沿X方向或反方向单向行走，同时，沿Y方向来回折返行走，如图3A所示。

(2)X折返形扫描模式42，离子束发生器沿X方向来回折返行走，工件台带动工件沿Y方向单向行走，两种运动叠加的结果为：离子束束斑在工件表面沿Y方向或反方向单向行走，同时，沿X方向来回折返行走，如图3B所示。

需要说明的是，上述两种扫描模式中，在运动控制系统20的控制下，离子束发生器来回折返行走，工件台带动工件30单向行走，离子束束斑的运动为二者运动的叠加。离子束发生器来回折返行走的方向与工件台带动工件单向行走的方向垂直，工件台带动工件30单向行走速度和离子束发生器来回折返行走速度都应小于实际负载下电机可输出的最大速度。

另外，在实际的离子束抛光过程中，可混合使用两种形式的扫描轨迹，也可任选其一。X折返形扫描模式和Y折返形扫描模式的切换可通过将工件旋转90°来实现。本实施例中所述的两种扫描模式即X折返形和Y折返形相对于现有的S形光栅扫描式来说，扫描行程更短，控制更简单；相对于现有的螺旋形扫描式来说，使用不受限于基片形状的限制。

图4为根据本实用新型实施例离子束抛光设备中运动控制系统的结构示意图。本实施例中，运动控制系统20包括：上位机控制单元21、下位机运动控制器22、电机驱动器23和反馈元件24。在离子束抛光过程中，上位机控制单元21与下位机运动控制器22之间保持双向通信，由上位机控制单元21发出的指令传送到下位机运动控制器22，下位机运动控制器22再通过电机驱动器23驱动工件台和快门机构10的两快门装置，同时，安装在快门机构10中两快门装置的反馈元件24反馈快门机构10的运动状态信息至下位机运动控制器22，最后，上位机控制单元21可从下位机运动控制器22读取快门机构10的运动状态信息。

至此，本实用新型实施例离子束抛光设备介绍完毕。需要说明的是，上述实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。另外，本实施例还提供了包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

基于上述的离子束抛光设备，本实用新型还提供了一种应用其进行离子束抛光的离子束抛光方法。图5为根据本实用新型实施例离子束抛光方法的流程图。如图5所示，本实施例离子束抛光方法包括：

步骤A：进行离子束扫描轨迹规划，由目标待加工面形、扫描轨迹规划的目标参数和离子束扫描模式得到规划待加工面形和刻蚀时间曲线；

其中，该离子束扫描轨迹规划的步骤A包括：

子步骤A1：载入目标待加工面形、扫描轨迹规划的目标参数和离子束扫描模式；

扫描轨迹规划的目标参数即为规划待加工面形与目标待加工面形之间的均方根偏差RMSD；离子束扫描模式可选X折返形扫描模式41或Y折返形扫描模式42或二者混合。

本实例中，目标待加工面形是随机生成的光学表面，其峰谷值为300nm，如图6所示；规划待加工面形与目标待加工面形的均方根偏差RMSD为7.5nm，即为峰谷值的2.5％；离子束刻蚀速率为60nm/min；采用Y折返形和X折返形两种扫描模式。

子步骤A2：由目标待加工面形和离子束扫描模式，根据扫描轨迹规划的目标参数来规划扫描轨迹，得到由束斑横向宽度和扫描周期确定的最终规划轨迹；

参见图7A并结合图7B和图8来进一步说明子步骤A2。

首先，由于本实例中同时采用了两种扫描模式，故将目标待加工面形按照加工深度平分为两个相等的子目标待加工面形。

然后，分别依照Y折返形和X折返形两种扫描模式进行轨迹规划，得到由束斑横向宽度和扫描周期确定的最终规划轨迹。

图7B是图7A所示离子束扫描轨迹规划过程中按照Y折返形扫描轨迹规划的示例说明，其中，W_t和W_p分别为离子束束斑的横向宽度和横向扫描周期，在此示例中，横向宽度W_t和横向扫描周期W_p是相等的。束斑的纵向扫描长度默认为基片纵向长度和束斑纵向最大宽度之和。在扫描轨迹规划中，通过调节离子束束斑的横向宽度和扫描周期来改变离子束扫描轨迹，从而改变Y折返形扫描模式下规划所得面形图。图7A中采用了Y折返形和X折返形两种扫描模式，故将由两种不同扫描模式规划所得到的面形图进行点对点叠加，得到规划待加工面形。

确定调节束斑的横向宽度和扫描周期的策略是在满足均方根偏差要求的情况下选取总扫描距离较短的，也就是说，在保证规划待加工面形和目标待加工面形之间的均方根偏差不大于目标参数值的情况下，选取总扫描距离较短的可行方案，该方案下，由束斑横向宽度和扫描周期确定的扫描轨迹为最终规划轨迹。

如图8所示，随着束斑横向宽度的减小和扫描周期的减小，该均方根偏差RMSD呈现下降的趋势，然而，总的扫描距离在不断加长，抛光效率会降低，基于上述基本策略，选取束斑横向宽度为36mm、扫描周期为36mm，此时规划待加工面形和目标待加工面形之间的均方根偏差RMSD为6.14nm，小于目标值7.5nm，满足设计要求并保证总的扫描长度较短。图8中，下三角、正方形和圆形分别表示横向扫描周期W_p与横向宽度W_t之比为1、1/2、1/3的情况。

需要注意的是，在图7A中，加工面形中的白色区域为设计刻蚀深度更深的区域，而黑色区域相对浅一些。另外，此处并未标示具体基片尺寸和刻蚀深度，旨在示意性地补充说明离子束扫描轨迹规划方法的必要细节，这种说明对于本领域或相关领域内的技术人员来说是易于理解的。

子步骤A3：根据刻蚀时间和刻蚀深度的转换关系，以最终规划轨迹计算得到刻蚀时间曲线。

刻蚀时间和刻蚀深度的转换关系如下：

T_etch＝D_etch/R_etch

其中，T_etch表示刻蚀时间，D_etch表示刻蚀深度，R_etch表示刻蚀速率，此三者即可为标量也可为矢量或矩阵，若为矢量，式中除法表示点对点相除。

为了更清楚了理解本步骤，以下结合具体实例来说明。

参见图9A和图9B来进一步说明子步骤A3。

图9A和图9B表示将最终规划轨迹转换为待加工深度曲线的过程。此示例中，最终规划轨迹包含分别由X折返形和Y折返形两种扫描模式规划得到的运动轨迹，因而将两种规划轨迹分别进行转换。需要说明的是，最终规划轨迹是通过规划待加工面形中的斜条状图来表现。

首先，按照X或Y折返形扫描模式所得的规划待加工面形中的斜条状图转换为一维的待加工深度曲线。每一个斜条状图都可通过沿宽度方向取平均值来计算出一条待加工深度曲线。

然后，将待加工深度曲线转换为刻蚀时间曲线，刻蚀时间和刻蚀深度的转换关系上文已给出，此处不再重述。

步骤B：进行快门运动轨迹规划，由刻蚀时间曲线得到脉冲频率-时间曲线和步进数-时间曲线；

该快门运动轨迹规划的步骤B包括：

子步骤B1：以刻蚀时间曲线的驻点和边界点当作分割点将其分割成多段S形曲线，其中，驻点包括极大值点、极小值点和拐点。

本实例中，从步骤A离子束扫描轨迹规划所得刻蚀时间曲线中任选一条作为目标刻蚀时间曲线，目标值为0.2s。

子步骤B2：设置优化计算的控制变量和目标值，进行快门运动轨迹的优化计算，得到脉冲频率-时间曲线和步进数-时间曲线；

所述控制变量指的是控制与每段S形曲线对应的梯形脉冲频率-时间曲线的参数，其中，包括梯形脉冲频率-时间曲线的加速行程、减速行程、总行程和初始位置，下文将结合示例予以详细说明。优化计算的目标函数为优化的刻蚀时间曲线和目标刻蚀时间曲线的均方根偏差RMSD，当目标函数计算值小于目标值时，优化计算即结束。

其中，进行优化计算可采用模式搜索(patternsearch)算法，也可以采用其它优化算法。

为了更清楚了理解本步骤，以下结合具体实例来说明。

参见图10和图11来进一步说明子步骤B2。

图10中，目标刻蚀时间曲线被分割成5段S形曲线，在各个分割点处估算旋转电机的步进数，所依据的函数关系为

$n_{crt,i}=\frac{{\sin }^{-1}\left(\frac{t_{etch,i}{v}_{scan}}{w_{\max }}\right)}{{\mathrm{\θ}}_{step}}$

其中n_crt,i表示第i个分割点的步进数，t_etch,i表示第i个分割点的刻蚀时间，v_scan为离子束束斑扫描速度，θ_step为步距角或细分后的步距角，W_max为最大挡板间距。如步进数—行程位置散点图中所示，除首位两个边界点外，中间各个分割点的步进数是估算值，有待优化，故而在中间各个分割点处设定了控制变量Δn_i。

对于任一条S形曲线，其两端点即两个相邻分割点之间的步进数差为该曲线所对应的总步进数，如图中第2段S形曲线所对应的总步进数为n_tot＝[(n₃+Δn₃)-(n₂+Δn₂)]。图10中的双纵轴坐标图表示与第2段S形曲线对应的梯形脉冲频率—时间曲线和S形步进数—时间曲线。要完全确定此梯形脉冲频率—时间曲线，除了前面提到的总步进数n_tot(图10中梯形脉冲频率—时间曲线的总面积)，还需另外3个控制变量。优选地，本实施例中设定的另外3个控制变量包括初始脉冲频率f_int，加速步进数n_acc和减速步进数n_dec，也可以组合其它3个控制变量，这本质上是相同的。

图11说明了进行优化运算过程中的转换关系。其中，步进数—时间曲线是由一组梯形脉冲频率—时间曲线曲线确定的，通过调整梯形脉冲频率—时间曲线的控制变量大小来调整步进数—时间曲线的形状。步进数n_s与挡板间距W₀存在如下转换关系：

W₀＝l₀sin(n_sθ_step),

其中未说明的变量皆已在前文提出，此处不赘述。

挡板间距—行程位置曲线表示沿扫描路径离子束经过各个行程位置时的挡板间距。挡板间距直接限制离子束的束流可见宽度，离子束作用在基片上的实际宽度需经测量确定，在不考虑离子束边缘散射的理想情况下取挡板间距为束流可见宽度。在已知挡板间距曲线的情况下，通过有限时间求和即可计算出某个区段的刻蚀时间曲线。

参见图10和图11，可知优化计算的刻蚀时间曲线与步进数-时间曲线是一一对应的，而步进数-时间曲线又可等价转换为一组梯形脉冲频率-时间曲线，因此，优化计算完成后，可得到刻蚀时间曲线、脉冲频率-时间曲线和步进数-时间曲线。

图12说明了上一段所述有限时间求和的基本原理，其计算表达式如下：

$T_{etch}\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}G(x_i;W_i)\mathrm{\Δ}t;$

x_m-x₀＝mΔtv_scan,

其中，G(x_i；W_i)是t_i时刻离子束中心经过x_i位置时离子束与基片的相互作用强度分布函数，W_i为此刻的挡板间距，Δt为有限时间步长，总共分为m步，t₀和t_m分别为起始和停止时刻，x₀和x_m分别为起始和停止位置，v_scan为扫描速度，T_etch(x)是刻蚀时间曲线即刻蚀时间沿x轴的分布曲线。

图13比较了优化计算的刻蚀时间曲线与目标刻蚀时间曲线，二者的均方根偏差RMSD约为0.11s，满足示例中的设计要求即小于0.2s。

步骤C：将脉冲频率-时间曲线、步进数-时间曲线转换为离子束抛光设备的工作指令，并将该指令经由上位机控制单元传送至下位机运动控制器，再由下位机运动控制器发送脉冲信号至电机驱动器，从而驱动工件台和离子束发生器运动，实现对工件的离子束抛光。

其中，该工作指令包括：离子束扫描运动数据表、离子源的工作参数、快门机构的运动数据表。并且，将离子束扫描轨迹和快门运动轨迹转换为离子束抛光设备的工作指令的方法已经为本领域技术人员所熟知，此处不再详细描述。

不同于一般驻留时间求解中的反卷积运算，本实施例基于最优化原理，先进行离子束扫描轨迹规划，再对快门运动轨迹进行优化计算，计算效率高，可降低计算成本。

本实施例离子束抛光方法中，步骤A和步骤B可以通过上位机控制单元21或单独的处理器(计算机)来执行。

至此，本实用新型实施例离子束抛光方法介绍完毕。需要说明的是，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。

至此，已经结合附图对本实用新型两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型离子束抛光设备及应用其的离子束抛光方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。并且，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

综上所述，本实用新型在离子束抛光设备中，将快门机构的通光孔设计为形状和尺寸可调，同时将离子束的扫描轨迹设计为耕牛式折返匀速扫描。在此基础上，在离子束抛光方法中，通过优化离子束扫描轨迹和快门运动轨迹，从而避免了采用反卷积运算来计算驻留时间，提高了计算效率，降低了计算成本。

本实用新型中，离子束抛光设备包括工件台、离子束发生器和运动控制系统，其基本工作原理是通过快门机构实时调节离子束束斑大小从而达到修正元件面形误差的要求，这使得离子束抛光过程中只需进行匀速扫描，可极大提高离子束抛光系统的稳定性和精确度。所述离子束抛光方法包括离子束扫描轨迹的规划方法和快门运动轨迹的计算方法，不同于一般驻留时间求解中的反卷积运算，该方法基于最优化原理，先进行离子束扫描轨迹规划，再对快门运动轨迹进行优化计算，计算效率高，可降低计算成本。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离子束抛光设备，其特征在于，包括：工件台、离子束发生器和运动控制系统(20)；

其中，工件放置于工件台上，离子束发生器发出形状和大小实时可控的离子束束斑(2)；运动控制系统(20)驱动工件台和/或离子束发生器运动，所述离子束束斑(2)在工件表面移动，实现对工件的抛光。

2.根据权利要求1所述的离子束抛光设备，其特征在于，所述离子束发生器包括：

发出离子束的离子源；以及

沿离子束束流出射方向安装在所述离子源前端的快门机构(10)，其具有一形状和大小实时可控的通孔；

其中，所述离子源发出的离子束(1)经所述快门机构(10)的通孔后，投射到所述工件(30)上，形成形状和大小实时可控的离子束束斑(2)。

3.根据权利要求2所述的离子束抛光设备，其特征在于，所述快门机构(10)由沿所述离子束(1)轴线叠置的至少两个可独立控制的快门装置组成，从而形成上述的形状和大小实时可控的通孔。

4.根据权利要求3所述的离子束抛光设备，其特征在于，所述通孔为矩形通孔；

所述快门机构(10)包括：叠置的第一方向限束快门(11)和第二方向限束快门(12)，其中，所述第一方向限束快门(11)在第一方向上对离子束进行限束，第二方向限束快门(12)在第二方向上对离子束进行限束，所述第一方向和第二方向相互垂直，两限束快门限定出所述矩形通孔。

5.根据权利要求4所述的离子束抛光设备，其特征在于，所述第一方向限束快门(11)和第二方向限束快门(12)均包括：

相对平行设置并隔开预设距离的第一挡板(11a)和第二挡板(11b)；

连接于所述第一挡板(11a)和第二挡板(11b)之间或所述第一挡板(11a)和第二挡板(11b)的延长线之间的驱动杆(11c)；

带动所述驱动杆(11c)旋转的驱动机构，其电性连接至所述运动控制系统(20)；

其中，在驱动机构的驱动下，驱动杆(11c)绕杆上一固定点旋转，与驱动杆(11c)两端连接的第一挡板(11a)和第二挡板(11b)相互朝靠近或远离的方向移动，从而改变第一挡板(11a)和第二挡板(11b)之间的间距，进而改变矩形通孔在第一方向或第二方向的宽度。

6.根据权利要求1所述的离子束抛光设备，其特征在于，在所述运动控制系统(20)的驱动下，所述离子束发生器来回折返行走，所述工件台带动工件单向行走；

其中，离子束发生器来回折返行走的方向与工件台带动工件单向行走的方向垂直，离子束束斑(2)的运动为二者运动的叠加，且工件台带动工件单向行走的速度和离子束发生器来回折返行走速度都小于实际负载下电机可输出的最大速度。

7.根据权利要求6所述的离子束抛光设备，其特征在于，可选择在以下模式之一工作：X折返形扫描模式、Y折返形扫描模式，其中：

在X折返形扫描模式中，离子束发生器沿X方向来回折返行走，工件台带动工件沿Y方向单向行走；

在Y折返形扫描模式中，离子束发生器沿Y方向来回折返行走，工件台带动工件沿X方向单向行走。

8.根据权利要求7所述的离子束抛光设备，其特征在于，通过工件的旋转实现X折返形扫描模式和Y折返形扫描模式的切换。

9.根据权利要求1所述的离子束抛光设备，其特征在于，所述运动控制系统(20)包括：上位机控制单元(21)、下位机运动控制器(22)和电机驱动器(23)；

其中，在离子束抛光过程中，由上位机控制单元(21)发出的指令传送到下位机运动控制器(22)，下位机运动控制器(22)再通过电机驱动器(23)驱动工件台和离子束发生器。

10.根据权利要求9所述的离子束抛光设备，其特征在于，所述运动控制系统(20)还包括：反馈元件(24)；

其中，安装在离子束发生器的反馈元件(24)反馈离子束发生器的运动状态信息至下位机运动控制器(22)，上位机控制单元(21)从下位机运动控制器(22)读取离子束发生器的运动状态信息。