[发明专利]基于材料添加与去除相结合的光学镜面离子束纳米精度加工方法

说明书

技术领域

本发明属于光学元件的离子束抛光加工技术领域，尤其涉及一种光学镜面的离子束纳米精度加工方法。

背景技术

随着光学系统性能的不断提升，光学零件的精度要求越来越高，对现代光学制造技术提出了新的挑战。以极紫外光刻（EUVL）技术为例，构成极紫外光刻（EUVL）系统镜面不同频段的误差对成像质量影响机制各不相同，要求全频段误差的均方根值全部控制在亚纳米范围，对现代光学制造技术提出了最为苛刻的要求。

现代光学零件加工较之传统加工的一个突破性进展是利用计算机控制的“小磨头”进行抛光的光学表面成型技术（CCOS），其基本思想是利用小工具抛光头代替手工抛光，实现误差高点的定量去除，从而能够提高光学镜面的面形收敛效率。离子束修形技术就是基于CCOS成型原理，利用物理溅射效应实现被加工表面材料的纳米精度去除。其非接触式的加工方式克服了传统抛光加工过程中的边缘效应、刀具磨损和压力负载等缺点，并且加工过程具有高确定性和高稳定性，这使得离子束修形技术在加工不同材质和形状的光学材料时，具有明显的经济效应和质量优势。目前Carl Zeiss公司通过研究提出的离子束修形技术是最接近光刻物镜要求的最终加工手段，其充分体现了离子束确定性修形技术的加工性能。

然而，随着光学系统对光学零件加工精度要求的不断提高，对离子束抛光技术提出了新的挑战。

首先，离子束抛光过程中的粗糙度变化机理及规律尚不明确，缺乏系统的理论解释和实验研究。有实验表明在离子束抛光过程中，材料表面粗糙度不会得到改善反而还会出现潜在的增加，也有实验表明离子束抛光导致了粗糙度值的降低，但是粗糙度的改善也是非常有限的。为了有效地改善表面质量，NTGL公司提出了一种利用涂抹牺牲层的方法，在合适的入射角条件轰击下可降低镜面表面的粗糙度，应用该方法将熔石英的表面粗糙度由0.53nm RMS降低到0.25nm RMS，但是这种涂抹方法和入射角的选择较为困难，而且无法保证面形精度的提高。

其次，随着加工精度的不断提高，离子束抛光技术面临着修正中高频误差成分的问题，为了去除不同频率成分的误差高点，可以控制去除函数束径从几十毫米变化到几毫米范围内，去除函数束径的减小拓宽了其频率范围，提高了误差修正能力。德国IOM研究所、意大利布雷西亚天文台和国防科技大学都对细小离子束修正中高频误差的方法进行了相关的研究，其主要研究工作聚焦于如何获取细小束径和进行初步的验证实验。但是，束径的减小是有限的，还需要考虑定位误差和加工时间等因素。

再次，虽然离子束抛光技术具有原子分子量级的材料可控去除能力，但对于误差高点和低点的材料去除效率几乎是一样的。在进行纳米精度的加工中很难将误差低点去除掉，难以实现大误差梯度的去除加工。为了解决这一问题，通常需要与其他加工工艺相结合，但是无法保证在去除大梯度误差的同时，保证其它区域的面形精度，而且所需要的加工时间会大大增加。

因此，以单一误差高点去除为机理的离子束抛光方法已经难以实现全频段面形误差的一致收敛和大梯度误差的去除加工，目前尚未有能有效解决高精度光学镜面加工中所存在的上述问题的加工工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺步骤简单、设备投入少、加工效率高、可有效改善光学元件的表面粗糙度、修正光学镜面中高频误差的基于材料添加与去除相结合的光学镜面离子束纳米精度加工方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种基于材料添加与去除相结合的光学镜面离子束纳米精度加工方法，包括以下步骤：

（1）获取添加函数：取一与待加工工件同样材料的实验样件，使用波面干涉仪测量所述实验样件的初始面形误差分布；设定材料添加时间，使用装设有离子束确定性添加装置的离子束抛光系统对实验样件给定点进行材料添加；然后再使用波面干涉仪对材料添加后的面形误差进行测量，对材料添加前后测量获得的面形作差得到材料添加量；再用材料添加量除以设定的材料添加时间即获取得到添加函数A(x,y)；本发明中提出的添加函数是相对于离子束确定抛光中的去除函数而言，由于添加过程中由离子源发射出的离子的能量和流量是设定不变的，所以添加函数同样具有很好的稳定性；