大口徑非球面離子束拋光光學加工技術
作者:管理員    發布于:2017-09-14 15:18:04    文字:【】【】【
摘要:大口徑非球面離子束拋光光學加工技術

大口徑非球面離子束拋光加工技術

        隨著科學技術發展進步,光學加工的手段不斷演化。光學表面的加工方法從范成法、修帶法、應力加工法等效率低、精度差的傳統方法,發展到基于計算機技術與激光干涉技術的計算機表面成形技術,光學加工效率與加工精度得到了大幅度提升。加工確定性更高的離子束拋光法也被引入到光學加工領域中,進一步提升了光學加工的確定性和準確性。

離子束拋光法由 Wilson 和 Reicher 等人首先于 1988 年提出,是一種從原理上區別于傳統光學加工方法的技術手段。物理上把物質存在的狀態劃分為固體、液體和氣體,物質可以通過吸收或釋放能量在三種狀態中相互轉化。當物質處于氣體狀態后若進一步吸收能量則可以被激發成為等離子體,因此等離子體又被稱為物質的第四種狀態。離子束拋光法利用了物質的第四種狀態,即等離子體實現材料去除。

離子束拋光原理示意圖

對于光學加工領域是一個關鍵突破,實現了從接觸式材料去除到非接觸式材料去除的跨域,從原理上能夠實現原子量級的材料去除,為光學加工帶來了新的可能與應用。

美國 Kodak 公司于 20 世紀 80 年代開始進行離子束拋光的相關研究,并自行組建了具有 2500mm 口徑加工能力的離子束拋光機。這也是報道中的離子束拋光第一次用于大口徑離軸非球面的加工,對于離子束拋光法在光學加工領域中的應用具有重要意義。

德國 NTG 公司與德國 IOM 研究所合作推出的離子束拋光機同樣具有非球面光學元件的拋光能力,該公司推出的離子束拋光機最大加工口徑達到 2000mm。

離子束拋光去除函數示意圖

除了用于普通成像系統的鏡面拋光外,離子束拋光也被應用到對加工精度具有更高要求的光刻機物鏡系統的精密拋光過程中,德國Zeiss 公司通過調整離子束拋光去除函數的尺寸與離子能量等參數,準確控制去除精度,實現了極紫外光刻物鏡的拋光,并取得理想效果。

離子束拋光主要優點:

1. 非接觸式的材料去除,加工過程中鏡面不會因受到應力作用而產生形變,因此不會產生復印效應。在鏡面邊緣處去除函數不因為接觸面積、壓力變化而產生變化,邊緣去除函數與中心相同,加工過程不存在邊緣效應。加工過程中離子源能夠完全運動出工件表面,保證加工過程能夠進行完全卷積,具有更強的可操作性。

2. 近高斯型去除函數,與其他光學加工方法的去除函數不同,離子束拋光法的去除函數具有接近高斯型的空間分布,便于結算加工駐留時間。同時,由于離子束拋光過程發生在真空中,決定材料去除率的因素更加明確,影響去除函數穩定性的成分較少,去除函數的可控性與穩定性更好,便于通過調節工作參數得到具有不同特點的去除函數,從而提升了光學加工的可控性與準確性。

3. 更好的光學加工適應性,離子束拋光過程中,束流始終與光學鏡面緊密貼合,不會引入由于工具和鏡面不吻合而導致的頻段誤差。不僅僅適用于平面、球面的光學加工,更適用于高陡度非球面的高精度加工過程。同時,離子束拋光法能夠用于大多數常用的光學材料的高精度拋光過程,不需要根據材料的不同而使用不同的磨料或拋光液。

4. 更準確的材料去除過程,離子束拋光過程中,材料體積去除率與材料去除分布均高度可控。與接觸式方法相比較,離子束拋光法去除函數能夠通過實驗與數學計算準確標定計算,從而確保離子束拋光具有很高的收斂效率,是一種真正的確定性加工方法。

5. 更廣泛的應用可能性,傳統方法往往只能以材料去除為唯一目標進行加工規劃,且各方法由于其技術特點往往無法對所有空間頻段殘差進行有效地收斂和修正。而離子束拋光法的作用過程中,離子與鏡面材料相互作用,在此過程中會發生一系列復雜的物理過程,不僅僅能夠準確的去除材料,還能夠進一步用于提升鏡面的表面質量。例如,采用犧牲層法提升鏡面粗糙度、采用附加去除材料法實現全頻段收斂等應用。

不過,離子束拋光法也受到其加工原理的限制,只能在真空條件下應用。并且濺射效應形成的材料去除速率相對較低,離子束拋光法更適合于光學加工中最后為達到更高精度或最終加工目標階段的應用。

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