离子束修形技术

离子束修形技术具有精度高、确定性好等优点,应用越来越广泛。介绍了离子束修形技术的原理和特点,以及国外离子束修形技术的发展历程和现状,并介绍了国内离子束修形技术的发展现状。针对当前离子束修形技术的研究热点,如中高频误差控制技术、驻留时间求解算法和加工工艺等方面,综述了国内外的研究现状。

光学平面镜面离子束修形中速度模式的实现

针对光学平面镜面离子束修形工艺中,目前采用的位置加工模式额外加工时间长、精度不高的缺点,提出离子束修形工艺中的速度加工模式,并给出速度加工模式中如何根据驻留时间计算加工中进给速度的方法。使用速度模式在自研的离子束加工机床KDIFS-500上进行了验证试验,对一块直径98mm的微晶玻璃平面样镜进行修形,加工时间为17.5min,样镜经过一次加工后,其面形误差的方均根值由初始的33.2nm提高到了3.1nm,面形收敛比高达10.7。试验结果表明,速度模式加工比位置模式加工可以缩短加工时间,提高加工精度,获得更大的面形收敛比。

小特征尺寸连续位相板离子束修形的误差分析

针对小特征尺寸连续位相板中频段成分分布广、误差梯度大的面形特点,分析了离子束修形技术加工连续位相板过程中影响加工精度的几种因素,包括扫描步距、材料去除方式、定位精度和材料去除量求解。分析指出:根据采样定理确定去除函数的扫描步距可实现对不同尺寸特征单元的有效加工;进一步优化材料去除方式能够确保修形过程中驻留时间的平稳运行,实现全频段误差一致收敛。另外,采用面形匹配方法对测量误差进行校正实验,可获取准确的面形材料去除量;而采用提高去除函数定位精度的方法可显著提升小尺寸特征单元的加工精度。基于研究结果,在消除各种工艺误差的基础上,采用离子束修形技术对特征尺寸小至1.5mm,面形峰谷值小于200nm,面形梯度高至1.8μm/cm的连续位相板进行了高精度加工,结果显示:加工面形与理论面形的匹配精度达到8.1nm(RMS),证实了误差分析的准确性。

光学元件离子束修形去除效率分析

离子束修形(IBF)技术成为光学零件获得超高面形必不可少的加工工艺.修形过程中采用光阑获取小的束径、稳定的去除函数是获得超高面形精度的前提.不同材料和工艺参数等不同条件下获得的去除函数都不相同,每次修形前都要重新测量去除函数.研究了不同入射能下、不同靶距下以及有无光阑时去除函数的变化.发现在离子光学系统几何参数一定的条件下,离子束去除函数的效率变化与入射能量、离子体浓度引起的离子鞘形状、束散角、温度、靶距、净加速电压与总加速电压之比的变化等因素都有关.当增大入射能量时,去除效率随之增加,但当入射能量大于一定值后就会出现随着入射能量增加而去除效率降低的"拐点"现象.有无光阑只改变去除效率的大小而不会改变"拐点"现象.因此不选用入射能量增大而去除效率减小的"拐点"之后的入射能量修形.

离子束修形中光学元件表面热量沉积数值模拟

根据Sigmund溅射能量沉积理论建立了低能离子入射光学元件引起的能量扰动层厚度模型.理论推导了离子束倾斜入射时光学元件表面的束流密度,并建立了低能离子束对光学元件的热量沉积模型.采用Monte Carlo方法模拟了低能离子与熔石英光学表面的相互作用.分析了离子能量、离子类型、入射角度等参数对光学元件热量沉积和扰动层深度的影响规律.以离子束沉积在工件的能量作为热源,采用有限元分析软件ANSYS模拟了离子束入射工件的温度场分布、温度梯度场分布和温度应力分布.入射表面温度和热梯度呈高斯分布,束斑中心最高并向工件边缘逐渐减小.入射表面束斑区域受热膨胀,其膨胀受到外环区域的制约,从中心区域到大约束斑半峰值半径的区域,所受环向应力为压应力,在大致束斑半峰值半径以外区域为拉应力.

光阑法变口径离子束修形仿真研究

采用一种仿真优化驻留时间分布和修形工艺的方法。通过在离子源出光口处添加光阑来改变离子束的束形,在MATLAB软件上模拟不同光阑尺寸的离子束并按照不同的叠加间距对其进行修形仿真。仿真过程中,引入修正法来获得驻留时间分布和去除面形残差分布并分析其去除规律,从而确定最佳的光阑尺寸、叠加间距和驻留时间分布。融石英平面的初始面形峰谷值为1079.59nm,方均根值为304.95nm,直径为120mm,在模拟仿真的基础上对其进行修形。经13h修形后,面形的精度峰谷值提高到95.62nm,方均根值提高到8.99nm,面形的方均根值收敛比达到33.92。

基于机床动态性能的离子束修形驻留时间精确实现

本文提出机床进给加速度求解理论公式,并在速度加工模式中引入机床动态性能以修正驻留时间。结合自研的离子束抛光机床KDIFS-500,利用该机床的动态特性和小束径去除函数,仿真正弦面误差,表明修正后速度加工模式能保证离子束修形过程中驻留时间的精确实现,提高面形精度。

基于Bayesian原理的低陡度光学镜面面形误差离子束修正驻留时间算法

离子束修形是一种高效修除镜面误差的技术,驻留时间求解算法是此技术的关键问题之一。以光学镜面计算机控制成型原理为基础,建立基于Bayesian原理的平面镜面驻留时间算法,对数据边缘进行Gaussian延拓以消除边缘效应。分析驻留时间近似速度实现方式的实现误差与工艺参数的关系,通过在算法中引入附加光滑修正因子以提高驻留时间实现精度。在适当的路径规划下,将低陡度非球面修形过程近似用平面修形过程线性模型来描述,最终形成低陡度光学镜面面形误差离子束修正中驻留时间的快速近似算法。利用此算法对φ100平面镜和φ200球面镜进行修形加工,加工收敛率均可达9。研究结果表明:线性化近似模型是合理的,速度近似计算是可行的,基于Bayesian原理的低陡度非球面驻留时间求解算法是一种快速高效面形控制技术,可对镜面进行确定性精确修形。

离子束加工中全频段误差的演变

在空间光学、光刻物镜、惯性约束聚变及强光系统等领域的高精密光学元件制造过程中,采用基于小磨头抛光原理的修形技术,虽然能有效去除面形低频误差,但对中高频误差难以修正。为了达到有效控制全频段误差的目的,文章以直径420mm的非球面为样件,在离子束抛光机床上进行不同频段误差的修形收敛试验。针对光学元件面形误差在不同频段的特性,以面形误差频段均方根及梯度均方根指标作为评价参数,分析各频段误差产生的原因,探索离子束工艺参数及其他因素与各频段误差间的对应关系。通过4轮离子束迭代加工后,样件全频段面形误差均方根值从34.973nm收敛到6.025nm,梯度均方根值由0.091λ/cm收敛到0.061λ/cm(λ=632.8nm)。试验结果表明:通过优化离子束的工艺参数,可显著提升光学元件的全频段面形精度,实现频段误差在不同评价参数下的同步收敛。频段均方根及梯度均方根指标可作为评价全频段面形误差变化的标准,对光学加工具有参考价值。

离子束螺旋扫描方式修正光学镜面方法

研究基于螺旋扫描方式的光学镜面离子束修正方法。根据离子束去除函数的特性,将螺旋扫描加工过程简化成线性过程并建立工艺过程模型,采用基于Bayesian原理的改进Richard-Lucy迭代法求解驻留时间。在分析驻留时间的连续速度实现基础上,给出螺旋路径参数的确定准则。建立螺旋扫描加工方式的工艺流程并进行试验验证研究。试验研究对φ100平面镜和φ200非球面镜修形加工得到了面形方均根误差均优于0.01λ。研究结果表明:极轴加工与普通的全口径加工一样是一种高效率、高确定性的加工方法,能够对镜面进行精确修形,同时可以节约加工成本。

超高精度离子束抛光工具设计与性能分析

为了解决高精度光学修形问题,进行离子束抛光工具的设计与性能分析研究。通过开展离子束抛光工具设计方法的研究、聚焦离子光学系统结构设计和离子束流特性的分析,进行计算机仿真研究和中和器一体化设计;研制聚焦离子光学系统和中和器,并采用15mm和10mm的聚焦离子光学系统进行修形加工实验,将口径150mm的熔石英平面镜从初始面形误差RMS15.58nm修正到RMS0.79nm。结果证明了聚焦离子光学系统设计的有效性,一体化离子束抛光工具具有亚纳米精度的修形能力。

计算机控制抛光中基于等面积增长螺旋线的加工路径

目前计算机控制抛光工艺中使用的阿基米德螺旋线路径,存在加工工件中心区域时工件转速过快的缺点。为了克服该缺点,分析了螺旋线路径加工的特点,分析表明工件的瞬时转速取决于加工点的驻留时间密度和螺旋线的面积增长速率。据此,提出了一种新的螺旋线作为抛光路径,该螺旋线的面积增长速率恒定,因此也称为等面积增长螺旋线。利用该螺旋线路径,加工转速趋于恒定,可降低加工中心区域的转速,从而降低对机床运动性能的要求,降低设备成本和加工成本。实验结果证实,阿基米德螺旋线路径加工中心区域容易产生过加工问题,加工精度较低;等面积增长螺旋线路径加工可避免中心区域过加工问题,获得较高的加工精度。

空间同轴三反相机Φ520 mm次镜的加工与检测

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求,提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段,首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨,其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛,最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工;在检测阶段,首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制,进入干涉仪测量范围后,再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例,对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测,其面形精度RMS为0.015λ(λ=632.8 nm),几何参数控制精度ΔR误差为0.1 mm、ΔK优于0.1%,满足光学设计技术指标要求。

全频段亚纳米精度氟化钙材料加工

考虑用CaF_2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标,本文研究了CaF_2材料加工工艺的全流程,以实现CaF_2材料的全频段高精度加工。首先,利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF_2元件有较好的面形和表面质量。然后,优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数,并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF_2元件的高频误差,逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。最后,在不改变CaF_2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明:其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39nm,Zernike残差RMS值为0.43nm,高频粗糙度均值为0.31nm,实现了对CaF_2元件的亚纳米精度加工,为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。

计算机控制抛光中基于等面积增长螺旋线的加工路径分析

计算机控制抛光中基于等面积增长螺旋线的加工路径具有趋于恒定的加工转速和相对较低的中心区域转速、机床运动性能要求等优势,因而能够获得相对于阿基米德螺旋线加工路径更高的加工精度。现比较详细地分析了计算机控制抛光中基于等面积增长螺旋线的加工路径的相关情况,通过实际的操作实验,证明该等面积增长螺旋线加工路径能够获得令人满意的加工精度。

应用离子束进行光学镜面确定性修形的实现

为了克服传统光学镜面抛光方法的缺点,提出了应用离子束进行光学镜面修形的方法。介绍了离子束修形技术的原理和方法,并对离子束修形中涉及的关键技术进行了讨论。在自研的离子束修形设备上对一块直径98mm的微晶玻璃平面样件进行了离子束修形试验,经过两次的迭代修形使其面形精度均方根误差由初始的0.136λ提高到0.010λ(λ=632.8nm),平均每次迭代的面形收敛率达到3.7。实验结果表明,应用离子束进行光学镜面修形无边缘效应、面形收敛快、加工精度高;由于离子束修形技术去除材料过程自身的特点,使数控离子束修形技术对非球面的加工和对平面的加工难度相当。

离子束修正光学镜面误差中拼接加工方法研究

由于离子束加工机床工作运动空间的限制,为了加工大型光学镜面,本文提出了一种全新光学镜面加工方法——拼接加工方法.论文首先从理论上分析解决了拼接加工工艺的系列关键技术问题,如:面形控制模型、拼接加工驻留时间解算算法、加工定位参数辨识与补偿等.基于CCOS成形原理,通过分析拼接加工面形控制机制,建立了光学镜面拼接加工有限域叠加的非线性面形控制模型;依据拼接加工有限域非线性问题特征,提出了基于Bayesian原理的改进型SRL迭代法较好地解决了拼接加工的驻留时间求解问题;通过分析拼接加工中对刀误差和材料去除率对加工精度和加工面形的影响分析,提出了一种光学镜面离子束定位误差、去除率等工艺参数辨识算法.通过上述研究,首次建立了光学镜面离子束拼接加工基本加工理论、方法和工艺流程.拼接加工工艺实验表明:误差补偿后的加工收敛率可达10.本文提出的理论和方法通过有效地解决拼接加工的关键技术问题使拼接加工与全口径加工一样,能够实现对镜面的精确修形.与此同时大大节约了加工系统制造和加工成本.