[发明专利]任意面形的高精度光学表面确定性加工系统

说明书

技术领域

本发明涉及高精度光学加工领域，尤其涉及高精度任意形状的光学表面加工以及高精度半导体材料表面加工行业。

背景技术

光学部件表面的加工精度及表面光洁度对光学部件的性能是至关重要的。传统的光学表面加工精度常依赖于技工的个人经验并且由于不可控的本性而极难达到超高精度。近年开发的抛光新技术即所谓自动化的确定性(deterministic)抛光技术使得光学抛光变得可控并达到更高的精度。确定性抛光技术的例子包括由美国纽约州罗切斯特市的QED技术公司开发的磁流变抛光技术(magnetorheological finishing，MRF)，以及加拿大安大略省渥太华的LightMachinery公司开发的喷流抛光技术(fluid-jet polishing，FJP)。确定性抛光技术的原理是通过专用工具局部地按预设的目标值精确地从初始面值去除材质从而实现高精度的光学表面。目前，确定性抛光技术已经用于光学加工行业并取得了巨大的成功，这项进展被视为颠覆了传统的光学加工行业的技术革命，从而使光学加工达到了前所未有的且远超出传统抛光技术所得到的光学表面精度。尤其是LightMachinery公司的喷流抛光可以日常性地加工出误差小至6纳米即光学行业所说的1/100波长(632.8nm波长)表面面形精度和约为1/1000波长的均方根精度(RMS)的10厘米×10厘米大小以内的超高精度的平面光学部件。对50毫米×50毫米大小的平面光学部件，LightMachinery公司的喷流抛光甚至可以达到1/200波长的绝对误差的超高精度。此外，这些技术还适合产生大面积特殊图案的光学表面或者按照预设的目标面生成的光学表面，特别是用在对含多个胶合界面的光学组合器件的复杂累积误差的修正等。这些特殊的功能在以前几乎是不可能的。

然而，由于系统在加工过程中缺乏垂直(Z)方向移动变化的特性，现有的确定性抛光技术只能用于平面或者起伏非常小的非平面，不适合处理大起伏的曲面光学表面。

本发明在计算机控制的确定性抛光技术的基础上，采用计算机软件控制，增加工件在垂直方向的移动性，使工件在加工过程保持高度差不变，保证对大起伏非平面部件加工时的恒定去除率，从而实现在大起伏的非平面光学曲面的高精度加工。本发明可实现对10厘米×10厘米大小级别的光学部件误差为1/100波长的表面面形超高精度及约1/1000波长的均方根(RMS)误差的加工能力，并实现对任意曲面面形的加工能力。本发明可适用于光学表面、半导体材料薄膜表面等多种不同应用的材料，可成为一种方便、灵活、通用的制造工艺而应用于多种行业。

发明内容

(一)拟解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是，通过计算机软件控制工件在垂直表面起伏改变的高度，维持工件对部件加工的高度差不变，来实现对大起伏非平面部件加工时的恒定去除率，从而实现任意光学曲面的高精度加工。

(二)技术方案

本发明的技术要点是采用计算机软件控制，通过工具在工件表面扫描加工停留时间图和工具的高度随工件表面起伏变化即由计算机控制的平面上的XY轴扫描加上Z轴方向随工件表面起伏移动维持固定高度差以保持恒定的单位时间去除率。这个过程的示意图如图1所示。经喷嘴喷出的抛光液作用在材料上去除轮廓称为工具的去除特征函数。抛光液在快速喷出时，里面包含的抛光粉颗粒通过碰撞待加工试样的表面，并砸下小的团块，从而去除材质，达到抛光的目的。经预先校正测量可得到工具的轮廓特征函数及单位时间去除率。在预先校正测量时，通过对各种工艺条件和参数如抛光剂种类和浓度、压力、喷嘴直径、以及工件表面和喷嘴之间的距离等参数调整，可以获得最佳的运行参数。将工件的当前状态面与目标面对照可得出工件整个表面不同部位所需的去除量函数。将工件整个表面所需的去除量与去除工具的轮廓特征函数及单位时间去除率相结合可以计算得出喷嘴在工件上的表面停留时间函数图。再由一个计算机程序控制的XY逐行扫描和Z方向移动来匹配工件不同部位所需的停留时间和相应的表面起伏，从而实现三维的光学表面确定性的超高精度加工。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明在现有的确定性高精度加工技术中，通过计算机软件控制，增加了垂直于待加工曲面的Z方向的运动，在加工过程中实现三维的任意方向的移动，从而实现对平面、曲面表面或者任意面形表面的高精度加工。

本发明的优点如下：

1.可以加工出面形精度高达1/100波长的平面、大起伏的曲面或者任意面形的表面。

2.操作方便，无污染。

3.运行成本低。