周?chē)?guó)尊

摘要：在加工超薄光學(xué)元件的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)橹亓湍ヮ^而產(chǎn)生應(yīng)力形變。于是，一種具有高效率、先進(jìn)性加強(qiáng)的超薄光學(xué)元件綜合加工法被提出。這種方法在進(jìn)行面形控制的時(shí)候，全面充分的運(yùn)用了離子束修形、精密拋光、精密銑磨。在開(kāi)展精密銑磨的階段時(shí)，主要是通過(guò)分析受力和采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ詫?shí)現(xiàn)降低因?yàn)樵l(fā)生變形而造成的面形誤差。在超薄光學(xué)元件的精密拋光接管，則是主要利用氣囊拋光迭代以及瀝青拋光迭代以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)收斂收斂面形的目的。在離子束加工的階段，主要是利用離子束基本加工特點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)修正面形的高精準(zhǔn)度。

關(guān)鍵詞：超薄光學(xué)元件;精密性;關(guān)鍵技術(shù);綜合加工

中圖分類(lèi)號(hào)：TQl71;THl61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）10-0133-04

光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化，最重要的保證就是實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的輕質(zhì)化。當(dāng)今時(shí)代，科學(xué)技術(shù)發(fā)展如日中天，隨之帶動(dòng)了光學(xué)工程技術(shù)提升，在當(dāng)下以及未來(lái)，光學(xué)系統(tǒng)將朝著擴(kuò)大口徑，輕化質(zhì)量，提升分辨率的方向發(fā)展。特別是在現(xiàn)代航空航天、光刻物鏡以及精密光學(xué)檢測(cè)等等比較精密的光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)儀器的精密度勢(shì)必會(huì)受到光學(xué)元件的面形精準(zhǔn)度決定性影響，與此同時(shí)，光學(xué)元件的重量將會(huì)直接對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的重量和制作整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)支出有決定性作用。實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件輕質(zhì)化的主要途徑之一就是完成光學(xué)元件超薄設(shè)計(jì)，如今在行業(yè)領(lǐng)域中，應(yīng)用平板型超薄光學(xué)元件已經(jīng)成為大趨勢(shì)，多種不同形式的計(jì)算機(jī)全息技術(shù)以及超薄光學(xué)元件系統(tǒng)的窗口設(shè)置與超高精密度的超薄元件緊緊聯(lián)系在一起。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)針對(duì)于超薄元件的徑厚作出了一系列研究，也得到了部分研究結(jié)果。在美國(guó)的亞利桑光學(xué)中心，則是充分采用了基地支撐的方法，在相同材料的鏡坯和基底進(jìn)行銑磨，實(shí)現(xiàn)球面曲率半徑相同，在通過(guò)將兩個(gè)面進(jìn)行對(duì)研，實(shí)現(xiàn)完全貼合，最終再通過(guò)使用瀝青將這兩個(gè)面進(jìn)行粘連，在下盤(pán)之前借助于拋光技術(shù)和銑磨技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加工。在我國(guó)的蘇州大學(xué)，也有研究者采取相類(lèi)似的方法進(jìn)行探究，將面形的精準(zhǔn)度做到了20nm左右，比美國(guó)的亞利桑光學(xué)中心的53nm要低出33nm。本文綜合運(yùn)用了離子束修形、精密拋光、精密銑磨等等在行業(yè)中比較先進(jìn)的技術(shù)，加工徑厚比為34的方形光學(xué)元件。

1以形變誤差補(bǔ)償為基礎(chǔ)的精密銑磨技術(shù)

1.1以真空吸附為基礎(chǔ)的基地支撐法

銑磨加工超薄鏡的關(guān)鍵因素是在加工過(guò)程中的各種形變控制，控制形變能夠?yàn)楣鈱W(xué)元件的硬度提供做起碼的支撐。在常見(jiàn)的支撐方法中，基地支撐法是應(yīng)用最為普遍的，也具備光學(xué)元件制作所需要的硬度，但是在光學(xué)元件的上盤(pán)和下盤(pán)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)不同程度上的形變，在絕大多數(shù)的情況之下，上盤(pán)前的面形是要好過(guò)于下盤(pán)后的面形。從這類(lèi)問(wèn)題出發(fā)，在光學(xué)元件進(jìn)行銑磨階段則是充分的使用了形變補(bǔ)償機(jī)制，其主要目的是為了能夠讓下盤(pán)的面形要好過(guò)于下盤(pán)的面形-引。文章在對(duì)超薄光學(xué)元件進(jìn)行探討的時(shí)候，主要是使用真空吸附基地支撐法，這種方法的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

第一步是制作出口徑為24cm的平面鋁盤(pán)，將中間的開(kāi)口處當(dāng)做是將內(nèi)部空氣抽干的主要?dú)怏w通道，在平面鋁盤(pán)上根據(jù)實(shí)際情況再制作一個(gè)凹槽，其口徑為14cm，凹槽的主要功能是實(shí)現(xiàn)橡膠密封圈放置。

第二步是將0.8mm厚度的聚氨酯粘貼在鋁盤(pán)上，讓粘貼好的聚氨酯在鋁盤(pán)上固化24h。

第三步主要是充分利用銑磨機(jī)去強(qiáng)化修整光學(xué)元件，盡最大的限度將光學(xué)元件的表面平滑度控制到um級(jí)別，只有這樣，才能夠充分保證光學(xué)元件鍥角。

1.2超薄光學(xué)軟件的形變誤差補(bǔ)償法

超薄光學(xué)元件實(shí)際上抗形變的能力是很差的，致使超薄光學(xué)元件發(fā)生變形的主要原因還是在于裝卡和磨削磨輪時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的壓力。傳統(tǒng)的超薄光學(xué)元件銑磨方式是很難實(shí)現(xiàn)理想中的表面面形。在本次研究中主要還是采用ANSYS元件仿真模擬在光學(xué)元件中受到裝卡影響的受力情況和形變情況，研究的結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)受力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，光學(xué)元件在不同的環(huán)帶之上所受到的力不在不斷變化的，受力從四周向中間逐漸增大。形變圖的環(huán)帶變化也正是說(shuō)明了這種現(xiàn)象。根據(jù)基底支撐法的受力分布和形變圖能夠預(yù)測(cè)出光學(xué)元件的未來(lái)變化動(dòng)向。在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)兩種不相同的銑磨方式作出比對(duì)，首先就是在光學(xué)元件加工中使用較為普通的銑磨方法，與此同時(shí)還要對(duì)輪廓儀進(jìn)行檢測(cè)。

通過(guò)將光學(xué)元件的受力分布圖和誤差補(bǔ)償前的圖進(jìn)行比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的元件加工結(jié)果和仿真的結(jié)果之間存在的相反的方向，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)樵卤P(pán)后應(yīng)力獲得了釋放，同時(shí)還出現(xiàn)回彈。

2以多工藝迭代為基礎(chǔ)的精密拋光技術(shù)

2.1以氣囊磨頭為基礎(chǔ)的精密拋光技術(shù)

在對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行加工的過(guò)程中，最重要的環(huán)節(jié)之一就是拋光。在本次試驗(yàn)探究中，同時(shí)還需要對(duì)鍥角和面形進(jìn)行修正。數(shù)控氣囊拋光技術(shù)主要是依靠于CCOS原理，能夠比較精準(zhǔn)的對(duì)多種影響要素進(jìn)行控制，增強(qiáng)數(shù)控氣囊拋光技術(shù)的可控性，提升修正的精準(zhǔn)度。在光學(xué)元件的前期相關(guān)工藝試驗(yàn)中獲得的經(jīng)驗(yàn)中，銑磨亞表面發(fā)生損傷層的厚度大約在十幾微米左右。所以說(shuō)，在去除光學(xué)元件亞表面損傷的時(shí)候想要提升速度，就可以采用聚氨酯氣囊，并且要嚴(yán)格的按照對(duì)光學(xué)元件測(cè)量的實(shí)際結(jié)果為基礎(chǔ)，作出反饋。與此同時(shí)，在修正薄板的時(shí)候主要是從兩個(gè)光學(xué)元件的面形以及鍥角誤差著手，在修成的時(shí)候，對(duì)鍥角誤差修正需要依靠某個(gè)光學(xué)表面，進(jìn)而測(cè)量到另外一個(gè)光學(xué)表面相對(duì)于這個(gè)基面的傾斜角。在本次超薄光學(xué)元件研究中，使用的氣囊拋光設(shè)備是采購(gòu)自英國(guó)Zeeko公司，這款產(chǎn)品的型號(hào)為IRP600。加工的時(shí)候采取柵格路徑，在進(jìn)行實(shí)際加工的時(shí)候?qū)?shù)的控制也是要按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，將氣囊的半徑設(shè)置為4.1cm，控制氣囊壓力達(dá)到10⁵Pa，對(duì)壓深的控制為0.3mm，對(duì)表面拋光角度控制在20°，拋光頭的轉(zhuǎn)速規(guī)定是1000r/min，柵格的間隔距離是0.5mml。

2.2以瀝青磨頭為基礎(chǔ)的光學(xué)平滑技術(shù)

在光學(xué)元件中利用氣囊拋光的方式勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致邊緣效應(yīng)和中頻出現(xiàn)，進(jìn)而會(huì)影響到面形快速收斂時(shí)候的精準(zhǔn)度。傳統(tǒng)拋光方式在超薄光學(xué)元件研究中是以研磨拋光作為核心的，可以有效的控制數(shù)控氣囊所造恒的誤差。使用光學(xué)平滑技術(shù)可以切削氣囊拋光和銑磨之后的殘余，將拋光紋理予以全部清除，并且還能夠充分的改善光學(xué)元件表面的粗糙度-圳。

3光學(xué)元件的高精度離子束修形

在光學(xué)元件中利用離子束修形技術(shù)（Ion BeamFiguting，IBF）的主要目的是為了可以在真空的環(huán)境之下，通過(guò)利用離子源所發(fā)射出的離子束轟擊光學(xué)元件，在光學(xué)元件表面上的原子接收到來(lái)自外界的能量之后，就能夠逐漸擺脫表面束縛能，進(jìn)而會(huì)徹底的從光學(xué)元件表面徹底脫離，形成濺射原子，去除元件表面材料。光學(xué)元件的高精度離子束修形的加工原理如圖4所示。

光學(xué)元件的離子束修形是一種非接觸式的光學(xué)加工技術(shù)，在加工工藝中充分利用這項(xiàng)技術(shù)可以高效的克服其它接觸式CCOS技術(shù)在加工超薄光學(xué)元件的過(guò)程中所發(fā)生的速度變慢問(wèn)題，甚至還有在加工超薄光學(xué)元件的時(shí)候發(fā)生的形變問(wèn)題。在對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行加工的時(shí)候，仍舊會(huì)出現(xiàn)因?yàn)樵臏囟瘸霈F(xiàn)上升而導(dǎo)致的熱變形現(xiàn)象，可是在完成對(duì)元件加工之后就會(huì)恢復(fù)原有的溫度，面形也會(huì)逐漸恢復(fù)，不會(huì)產(chǎn)生太大的問(wèn)題。

在前面的工序中，加工超薄光學(xué)元件所形成的面形水平是很低的，為了可以兼顧加工超薄光學(xué)元件的精準(zhǔn)度和時(shí)間，可以將離子束修形分成兩個(gè)部分展開(kāi)實(shí)行，對(duì)離子源的配置分別是用30mm的柵網(wǎng)，控制靶距為135mm，無(wú)光闌以及使用30mm的柵網(wǎng)，控制靶距為25mm，光闌為10mm。在進(jìn)行高精度離子束修形的加工的時(shí)候?qū)?shù)的把握要準(zhǔn)確，符合元件生產(chǎn)加工工藝，屏柵的電壓穩(wěn)定控制在800V，屏柵的電流穩(wěn)定控制在25mA，與此同時(shí)，對(duì)于元件離子束修形加工工藝中的加速柵電壓要控制在100V，中和電流控制在80mA。按照生產(chǎn)工藝對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行加工，從而得到的去除函數(shù)如圖5所示。

在圖5光學(xué)元件離子束修形去除函數(shù)1中，可以明確得出其半高的寬度（FWHM）實(shí)際是15mm，峰值的去除率是每分鐘是0.2731xm，對(duì)于光學(xué)元件的體積去除率是70.1x10^-3mm3/min。

在圖5光學(xué)元件離子束修形去除函數(shù)2中，能夠明確的而出其半高的寬度（FWHM）實(shí)際上是7.58mm，峰值的去除率每分鐘是0.318p.m，對(duì)于光學(xué)元件的體積去除率是19.5x 10^-3mm³/min。光學(xué)元件在經(jīng)過(guò)5輪的離子束修形之后，即對(duì)去除函數(shù)1進(jìn)行加工4輪，對(duì)去除函數(shù)2進(jìn)行加工1輪，得到元件面形的最終收斂上表面PV為24.013nm，RMS為1.423nm。元件面形的最終收斂下表面PV為23.571nm，RMS為2.143nm。

4結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)如今檢測(cè)高精度光學(xué)以及超精密光學(xué)系統(tǒng)中，已經(jīng)逐漸的使用并且普二級(jí)超薄光學(xué)元件，超薄型光學(xué)元件本身就具有容易發(fā)生變形、并且元件的硬性比較小且厚徑比大。在本次關(guān)于超薄光學(xué)元件的精密性加工關(guān)鍵技術(shù)探討中，主要是介紹了三種綜合加工的方法，即離子束修形、精密銑磨以及精密拋光。精密拋光主要是有效結(jié)合了瀝青拋光和氣囊拋光兩種方式，進(jìn)而將這兩項(xiàng)技術(shù)方式的優(yōu)勢(shì)完全發(fā)揮出來(lái)，在最短的時(shí)間內(nèi)去除亞表面損傷的同時(shí)，還可以對(duì)中頻誤差產(chǎn)生抑制作用，并且還有效的控制住了元件的面形。在光學(xué)元件中的精密銑磨則是主要通過(guò)使用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄑa(bǔ)償形變量，進(jìn)而達(dá)到控制面形的目的。離子束修形在光學(xué)元件中則是充分發(fā)揮出來(lái)其非接觸加工當(dāng)時(shí)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了光學(xué)元件面形高精度快收斂的目的。

在進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，采用厚徑比為34的光學(xué)元件，其邊長(zhǎng)為152mm，厚度為6.35mm。在實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中表明，無(wú)論是離子束修形階段還是精密銑磨階段，亦或是精密拋光階段，各項(xiàng)指標(biāo)均已經(jīng)滿足了精密光學(xué)元件的要求，其中，最終的光學(xué)元件面形精度是PV為15nm，RMS為1.5nm。由此可見(jiàn)，在超薄光學(xué)元件的加工工藝中，使用精密銑磨、精密拋光和離子束修形，在提升高精度光學(xué)系統(tǒng)窗口、光學(xué)檢測(cè)基板以及超薄元件等等高精密度工藝加工中，有著重要作用。