一種曲面光學(xué)元件的離子束光滑方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及曲面光學(xué)元件加工的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種曲面光學(xué)元件的離子束光滑方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對光學(xué)元件的表面粗糙度提出了越來越苛刻的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，光學(xué)元件的表面粗糙度要求甚至優(yōu)于0.1nmo傳統(tǒng)的光學(xué)元件研磨技術(shù)往往難以滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的上述超光滑表面要求，基于低能寬束離子源的離子束光滑技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)是采用低能寬束離子源以較大入射角掠入射光學(xué)元件表面，在表面原子的表面迀移作用下達到改善光學(xué)元件表面粗糙度的目的。該技術(shù)在改善平面光學(xué)元件表面粗糙度時觀察到了較好的表面粗糙度改善效果。但是由于離子束轟擊光學(xué)元件表面時，除了表面原子的迀移作用，也存在表面原子的濺射作用，即光學(xué)元件表面原子在離子束的轟擊下，會掙脫表面勢能的束縛，形成表面材料的移除效應(yīng)，并且入射角度不同，其表面移除速率也存在差升。
[0003]對于平面光學(xué)元件，離子束以一定角度轟擊光學(xué)元件時，離子束相對光學(xué)元件表面各點的入射角度是一致的，因而表面材料移除速率可以認為是一致的，即在此過程中，光學(xué)元件表面只是均勻地移除了一層材料，既達到了表面粗糙度改善的目的，又沒有破壞光學(xué)元件的表面面形。但是對于曲面光學(xué)元件，離子束相對光學(xué)元件表面各點的入射角度是不一致的，因而表面材料移除速率不一致，表面材料的移除是不均勻的，即改善表面粗糙度的同時，也破壞了光學(xué)元件的表面面形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服離子束光滑技術(shù)應(yīng)用于曲面光學(xué)元件時存在的上述問題，本發(fā)明提出一種離子束光滑方法，該方法能夠在改善光學(xué)元件表面粗糙度的同時，保持光學(xué)元件的原有面形。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種曲面光學(xué)元件的離子束光滑方法，包括如下的步驟:
[0006]步驟(I)、檢測初始面形。采用干涉儀作為檢測設(shè)備，檢測曲面光學(xué)元件的初始面形，其分布函數(shù)Sr1(Xj)。干涉儀為光學(xué)元件面形檢測用的常規(guī)儀器，在此不再贅述。初始面形由兩部分構(gòu)成，包括期望面形y)和初始面形誤差匕(1，y)，即其用函數(shù)表示為:r^x, y) = r0 (x, y) +re (x, y)，其中(x, y)表示面形誤差分布點的拓撲坐標(biāo)位置(下同)。但初始面形108中不包括基準(zhǔn)曲面輪廓，基準(zhǔn)曲面輪廓表征的是曲面的總體形貌，包括平面、凸面和凹面等。
[0007]步驟(2)、進行離子束預(yù)光滑試驗:依照曲面試驗光學(xué)元件的輪廓，規(guī)劃離子束光滑路徑。編寫數(shù)控程序在真空環(huán)境中進行離子束預(yù)光滑試驗，并保存掃描路徑及參數(shù)。由于一般掃描過程由數(shù)控系統(tǒng)控制，因而保存數(shù)控代碼即可。一般情況下，按照S型光柵路徑均勻掃描試驗光學(xué)元件表面以進行離子束光滑試驗。掃描時要求離子束的入射方向與工件表面任意點的法矢量方向夾角保持一致，并保持較大的入射角度，一般而言，入射角度應(yīng)在60至85度之間。其中試驗光學(xué)元件的被加工表面向下，離子束傾斜入射試驗光學(xué)元件被加工面，離子束與試驗光學(xué)元件表面法矢量方向夾角為80度，但不限于80度。保持勻速掃描，掃描速度為V1，典型的掃描速度V1S 50至200mm/min，但不限于該速率范圍。
[0008]步驟(3)、重新檢測面形，計算材料移除速率。取下試驗光學(xué)元件，采用干涉儀重新檢測面形誤差分布，其函數(shù)表示Sr2(x，y)，并與步驟(I)中檢測得到的初始面形誤差分布進行對比，計算出步驟(2)中進行離子束預(yù)光滑過程中所移除的材料材料移除量，其函數(shù)表示為rml(x, y)，其中:
[0009]rml (X，y) = T1 (x, y) ~r2 (x, y)
[0010]步驟(4)、擬定正式光滑參數(shù):經(jīng)驗試驗表明，光學(xué)材料受離子束大角度傾斜轟擊一段時間后，其表面粗糙度會得到理想的改善，該改善程度依照不同材料和改善要求時間各有不同。對于典型的熔石英光學(xué)材料而言，一般單點轟擊30分鐘可獲得理想的表面粗糙度改善。據(jù)此，確定正式拋光時的掃描速率V2，且ν2〈νι，一般v2為5至20mm/min ；
[0011]步驟(5)、計算確定性預(yù)修形量:結(jié)合步驟(3)中計算出的材料移除量rml(x, y),和掃描速率V1和掃描速率V 2，計算預(yù)計光滑偏修量120，其函數(shù)表示為rm2 (x, y)，結(jié)合步驟
(3)中的面形誤差ri(X，y)，計算預(yù)先修形量rmf(x，y)，其中:
[0012]rm2(x, y) = rml (x, y) Xv1A2
[0013]rmf (x, y) = r2 (x, y) -r0 (x, y) -rm2 (x, y) + n
[0014]上式即是通過r2(x，y)考慮并消除了初始面形誤差可能給最終面形造成的影響，η為額外材料去除量，為正實數(shù)，其大小必須使得rmf(x，y)中任意點都大于0，該參數(shù)的特性由確定性修形技術(shù)的基本原理確定，在此不再贅述。
[0015]步驟(6)、進行確定性預(yù)修形:按照步驟(5)計算的預(yù)先修形量rmf (X，y)進行預(yù)先確定性修形，得到預(yù)修形后的面形，其函數(shù)表示為r3(x，y)。預(yù)修形的目的在于抵消初始面形誤差以及步驟(2)及后續(xù)步驟(7)中離子束光滑過程中引入的面形誤差。確定性修形方式可采用離子束拋光技術(shù)，也可以采用其它確定性修形方式，譬如磁流變拋光和射流拋光等，具體修形方式可依照面形精度和加工效率需求來確定。該確定性修形技術(shù)為成熟技術(shù)，在此不再累述。修形后的面形的表達式為:
[0016]r3 (X，y) = r2 (x, y) -rmf (x, y) = r0 (x, y) +rm2 (x, y) - n
[0017]步驟(7)、進行正式離子束光滑。按照步驟2所示的掃描方式及步驟(4)擬定的掃描速率V2，進行離子束光滑，該步驟會產(chǎn)生一定的表面材料移除量rm2 (x, y)。最終得到光滑后的面形r4 (X，y)。按照上述步驟，r4 (X，y)的表達式為:
[0018]r4 (x, y) = r3 (x, y) -rm2 (x, y) = r0 (x, y) - n
[0019]步驟(8)、取出工件，結(jié)束。
[0020]經(jīng)過上述步驟，最終面形與設(shè)計面形只存在量值為η的厚度差異，只要該厚度差異控制在設(shè)計面形的厚度公差允許范圍內(nèi)，既保持曲面光學(xué)元件面形，同時又對曲面光學(xué)元件的表面粗糙度進行了改善。
[0021]其中，預(yù)先測試離子束光滑過程對表面面形精度的影響，并通過事先修形預(yù)留材料去除量的辦法來抵消離子束光滑過程對表面面形精度的影響。
[0022]其中，進行離子束光滑時，離子束始終與曲面光學(xué)元件的表面法矢量成大角度掠入射。
[0023]其中，其試驗光滑路徑與正式光滑路徑一致，且在相同位置點，離子束的入射方向也一致；且試驗掃描速率大于實際光滑掃描速率。
[0024]其中，確定性預(yù)修形量通過預(yù)光滑試驗數(shù)據(jù)計算得到。確定性預(yù)修形量與正式光滑預(yù)期造成的面形改變量大小相等，方向相反。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0026]1.由于本發(fā)明基于離子束傾斜轟擊下的原子表面迀移原理，因此本發(fā)明能有效提高光學(xué)元件的表面粗糙度，形成超光滑表面。
[0027]2.由于本發(fā)明在進行離子束光滑的同時考慮并補償了離子束光滑過程中對面形的破壞，因此本發(fā)明能有效避免改善曲面光學(xué)元件表面粗糙度的同時對面形的破壞。
[0028]3.由于本發(fā)明在進行離子束光滑的同時，考慮了出初始面形誤差，因此本發(fā)明能在一定程度上去除光學(xué)元件上的原有面形誤差。
【附圖說明】
[0029]圖1為面形誤差與粗糙度示意圖；
[0030]圖2為離子束光滑前不光滑的平面示意圖；
[0031]圖3為離子束光滑后較