離子束拋光設(shè)備及應(yīng)用其的離子束拋光方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及精密加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種離子束拋光設(shè)備及應(yīng)用其的離子束 拋光方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 離子束拋光是一種超精密的光學(xué)加工技術(shù)。與傳統(tǒng)拋光工藝不同的是，離子束拋 光一種原子量級上的無應(yīng)力、非接觸式拋光，其基本原理是，在真空狀態(tài)下利用具有一定能 量的惰性氣體（比如氬氣）離子轟擊工件表面，通過物理濺射效應(yīng)去除表面材料。這種加 工方式避免了傳統(tǒng)工藝中因預(yù)壓力所產(chǎn)生的表面或亞表面損傷，同時由于真空環(huán)境潔凈度 很高，加工過程中不會引入雜質(zhì)污染。另外，離子束拋光可用于制作超光滑表面，目前，離子 束拋光的光學(xué)元件均方根RMS精度最高可達0. 1~0. 2納米。由于它具備高精度、無損傷 和超光滑等優(yōu)點，離子束拋光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于精密光學(xué)元件加工和制造，特別是高端光 學(xué)元件加工。
[0003] 離子束拋光的加工尺寸范圍很廣，從毫米級的光學(xué)透鏡到米級的天文望遠(yuǎn)鏡都適 用。然而，不同尺寸的光學(xué)元件一般要求使用不同規(guī)格的離子束拋光設(shè)備。對于大尺寸的 拋光應(yīng)用，往往需要專門定制大型的離子束拋光設(shè)備。這種設(shè)備價格昂貴，用途比較單一。
[0004] 在現(xiàn)有的離子束拋光設(shè)備中，離子束轟擊在光學(xué)元件上的方式有兩種。第一種是 離子源發(fā)出的離子束直接轟擊在光學(xué)元件上，第二種是離子源發(fā)出的離子束經(jīng)由一具有固 定形狀通孔的擋板后，成為具有一定橫截面形狀且強度比較均勻的離子束，而后轟擊在光 學(xué)元件上。相比于第一種方式，第二種方式可控性強，拋光效果好，已經(jīng)成為離子束拋光普 遍采用的設(shè)備。然而，隨著對拋光精度的要求越來越高，其可控性已經(jīng)不能滿足要求。
[0005] 此外，在現(xiàn)有離子束拋光技術(shù)中，離子束的掃描軌跡一般可分為兩種形式：一種是 S形光柵掃描式，如圖1所示；另一種是螺旋形掃描式。對于S形光柵掃描，其掃描距離長， 比較耗時，而螺旋形掃描只適用于處理圓形基片。
[0006] 除了對加工設(shè)備的要求，離子束拋光過程的軌跡優(yōu)化也是一個關(guān)鍵部分。離子束 拋光是一種確定性的加工方法。在拋光過程中，離子束束斑沿一定的軌跡在工件表面進行 掃描，計算機實時控制束斑的行走速度和加速度，從而改變了工件上各點的駐留時間和拋 光深度。駐留時間的求解一般是通過反卷積運算來實現(xiàn)的，而反卷積問題是個病態(tài)問題，如 果再考慮離子束拋光設(shè)備機械部件的動力學(xué)極限，這種傳統(tǒng)求解方法存在一定的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一）要解決的技術(shù)問題
[0008] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種離子束拋光設(shè)備及應(yīng)用其的離子束拋光方 法，以提高離子束拋光設(shè)備的可控性及拋光精度。
[0009] (二）技術(shù)方案
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種離子束拋光設(shè)備。該離子束拋光設(shè)備包括： 工件臺、離子束發(fā)生器和運動控制系統(tǒng)20。其中，工件放置于工件臺上，離子束發(fā)生器發(fā)出 形狀和大小實時可控的離子束束斑2;運動控制系統(tǒng)20驅(qū)動工件臺和/或離子束發(fā)生器運 動，離子束束斑2在工件表面移動，實現(xiàn)對工件的拋光。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種利用上述離子束拋光設(shè)備的離子束拋光方 法。該離子束拋光方法包括：步驟A:進行離子束掃描軌跡規(guī)劃，由目標(biāo)待加工面形、掃描軌 跡規(guī)劃的目標(biāo)參數(shù)和離子束掃描模式得到規(guī)劃待加工面形和刻蝕時間曲線；步驟B:進行 快門運動軌跡規(guī)劃，由刻蝕時間曲線得到脈沖頻率-時間曲線和步進數(shù)-時間曲線；以及步 驟C:將脈沖頻率-時間曲線、步進數(shù)-時間曲線轉(zhuǎn)換為離子束拋光設(shè)備的工作指令，傳送 并執(zhí)行該工作指令，實現(xiàn)對工件的離子束拋光。
[0012] (三）有益效果
[0013] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明離子束拋光設(shè)備及應(yīng)用其的離子束拋光方法具 有以下有益效果：
[0014] (1)采用了快門機構(gòu)，該快門機構(gòu)具有兩個作用：(a)對離子束起到準(zhǔn)直作用；(b) 調(diào)節(jié)離子束的大小和形狀，使得離子束在勻速掃描工作狀態(tài)下也可調(diào)節(jié)拋光深度，從而進 一步提高了離子束拋光設(shè)備的可控性和控制精度；
[0015] (2)離子束的掃描軌跡采用耕牛式折返勻速掃描，相比于現(xiàn)有技術(shù)中的S形光柵 掃描或螺旋形掃描，掃描行程更短，控制更簡單，精度更高；
[0016] (3)對于離子束拋光方法，不是采用一般駐留時間求解中的反卷積運算，而是基于 最優(yōu)化原理，先進行離子束掃描軌跡規(guī)劃，再對快門運動軌跡進行優(yōu)化計算。該方法計算效 率較高，可降低計算成本。
【附圖說明】
[0017] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)離子束拋光設(shè)備中S形光柵掃描式離子束掃描軌跡的示意圖；
[0018] 圖2A為根據(jù)本發(fā)明實施例離子束拋光設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2B為圖2A所示離子束拋光設(shè)備中快門機構(gòu)中X向限束快門的控制示意圖；
[0020] 圖3為圖2所示離子束拋光設(shè)備中兩種離子束束斑掃描軌跡的示意圖；
[0021] 圖4為圖2所示離子束拋光設(shè)備中運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例離子束拋光方法的流程圖；
[0023] 圖6是目標(biāo)待加工面形；
[0024] 圖7A是離子束掃描軌跡規(guī)劃過程示例圖；
[0025] 圖7B是圖7A所示離子束掃描軌跡規(guī)劃過程中按照Y折返形掃描軌跡規(guī)劃的示例 說明圖；
[0026]圖8是均方根偏差RMSD與束斑橫向?qū)挾燃皰呙柚芷诘年P(guān)系曲線；
[0027] 圖9是將X及Y折返形掃描所得待加工面形轉(zhuǎn)換為待加工深度曲線的示例圖；
[0028] 圖10是設(shè)置優(yōu)化計算的控制變量的示例說明圖；
[0029] 圖11是優(yōu)化計算過程中的轉(zhuǎn)換關(guān)系；
[0030] 圖12是刻蝕時間的有限時間求和計算示意圖；
[0031] 圖13是優(yōu)化的刻蝕時間曲線與目標(biāo)刻蝕時間曲線的比較。
[0032] 【符號說明】
[0033] 1-離子束； 2-離子束束斑；
[0034] 10-快門機構(gòu)
[0035] 11-X向限束快門；
[0036] 11a-第一擋板；lib-第二擋板；11c-驅(qū)動桿
[0037] 12-Y向限束快門；
[0038] 12a-第一擋板；12b-第二擋板；
[0039] 20-運動控制系統(tǒng)；
[0040] 21-上位機控制單元； 22-下位機運動控制器；
[0041] 23-電機驅(qū)動器； 24-反饋元件；
[0042] 30-工件；
[0043]41-X折返形掃描； 42-Y折返形掃描。
【具體實施方式】
[0044] 本發(fā)明涉及一種離子束拋光設(shè)備及應(yīng)用其的離子束拋光方法，其通過對快門機構(gòu) 和操控方法的改進，進一步提供了離子束拋光設(shè)備的可控性和控制精度。
[0045] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。
[0046] 在本發(fā)明的第一個示例性實施例中，提供了一種離子束拋光設(shè)備。圖2A為根據(jù)本 發(fā)明實施例離子束拋光設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2A所示，本實施例離子束拋光設(shè)備包括： 工件臺、離子束發(fā)生器和運動控制系統(tǒng)20。其中，工件放置于工件臺上，離子束發(fā)生器發(fā)出 形狀和大小實時可控的離子束束斑2。運動控制系統(tǒng)20驅(qū)動工件臺和/或離子束發(fā)生器運 動，所述離子束束斑2在工件表面移動，實現(xiàn)對工件的拋光。
[0047] 以下對本實施例離子束拋光設(shè)備的各個組成部分進行詳細(xì)說明。
[0048] 本實施例中，工件臺為至少可以在一個維度上移動的平臺。現(xiàn)有技術(shù)中有各種各 樣的工件臺，此處不再對其進行詳細(xì)描述。
[0049] 本實施例中，離子束發(fā)生器包括：發(fā)出離子束的離子源（未圖示）；沿離子束束流 出射方向安裝在離子源前端的快門機構(gòu)10,其具有一形狀和大小實時可控的通孔。其中，離 子源發(fā)出的離子束1經(jīng)該快門機構(gòu)10后，投射到工件30上，形成形狀大小實時可控的離子 束束斑2。
[0050] 本發(fā)明對離子源并沒有特別的要求，可采用現(xiàn)有技術(shù)的離子源，只要其發(fā)出離子 束的徑向尺寸大于快門機構(gòu)10的孔徑即可。此外，需要說明的是，由于離子束存在一定 的發(fā)散度，束斑的口徑可能比快門機構(gòu)10的準(zhǔn)直口徑稍大，具體尺寸可通過刻蝕實驗來確 定，這并不會影響本發(fā)明的實施。
[0051] 快門機構(gòu)10設(shè)置于離子源和工件臺之間，可根據(jù)實際要求適當(dāng)調(diào)整其位置?？扉T 機構(gòu)可由沿離子束1軸線疊置的至少兩個可獨立控制的快門裝置組成，從而形成上述的形 狀和大小實時可控的通孔。
[0052] 參見圖1和圖2,在離子束拋光過程中，從離子源發(fā)射的離子束經(jīng)過快門機構(gòu)后被 準(zhǔn)直，而準(zhǔn)直后的離子束投射在工件30上形成離子束束斑2,離子束束斑2在工件30表面 上進行勻速掃描。通過調(diào)節(jié)快門機構(gòu)10的兩個快門裝置11和12,離子束束斑2的形狀和 大小發(fā)生改變。
[0053] 在本實施例中，請參照圖2A，快門機構(gòu)10包括疊置的X向限束快門11和Y向限 束快門12,兩者限定出一矩形的通孔。其中，X向限束快門11在X方向上對離子束進行限 束，Y向限束快門12在Y方向上對離子束進行限束。X方向和Y方向為相互垂直。兩限束 快門限定出矩形通孔，從而將離子束限束為一矩