[发明专利]基于非线性建模的纳米精度光学曲面离子束加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件加工技术，具体涉及一种基于非线性建模的纳米精度光学曲面离子束加工方法。

背景技术

随着装备性能需求的不断提升，现代光学系统对光学零件制造精度的要求越来越苛刻，例如空间x射线光学元件和极紫外光刻物镜，通常需要表面的面形精度达到纳米甚至亚纳米精度，对光学制造技术提出了极大的挑战。传统光学加工方法在加工精度和加工效率等方面已经无法满足需求，由此需要发展新型的确定性光学加工技术。

离子束抛光技术利用离子溅射效应对材料进行去除，有纳米/亚纳米量级的加工精度。高确定性、高稳定性和非接触的加工方式，使得离子束抛光加工在很多方面都优于传统抛光技术，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，具有较高的加工收敛率，通常都作为高精度光学零件加工的最后一道工序。最典型的应用就是光刻物镜制造，其光学零件的面形精度和光滑度都需要亚纳米量级，充分体现了离子束的抛光能力。为了满足高精度曲面光学零件加工的需求，许多研究机构都研制了自己的离子束抛光设备。其中日本Cannon公司、德国NTGL公司和国防科技大学精密工程实验室开发了五轴的离子束系统，成功地获得了高精度的面形精度结果，除此之外，德国NTGL公司和国防科技大学精密工程实验室还研制了低成本的三轴系统，使用补偿加工的方式同样实现了曲面光学零件的高精度加工。

离子束抛光技术基于CCOS成型原理，其基本思想就是构建材料去除的数学模型，通过选定的求解算法得到加工所需的驻留时间，最后规划加工路径并采用数控方法实现加工过程。在此过程中，材料去除精确模型的建立在理论层面上就直接影响了高精度制造的可实现性和高效性。当前的CCOS原理指出材料去除量可以表示成去除函数与驻留时间的二维卷积，并且假定去除函数在加工过程中具有时空不变性，驻留时间的求解便是反卷积的操作过程，那么抛光工具不能随时间和空间发生变化，否则会引起实际的材料去除量与期望的去除量产生偏差。该求解驻留时间的方法，对于加工平面光学镜面是实用的，不需要进行相关的处理过程。但是，球面和非球面等曲面光学零件在现代高性能光学系统中占大多数，对于球面和非球面的光学镜面而言，三维坐标系下的面形误差E'(x,y,z)转换到二维卷积中误差表示E(x,y)过程中会产生投影变形问题，同时去除函数在投影面上各驻留点处也不再具有一致性的特点，此时现有材料去除模型已经不再具有普适性。如果在求解驻留时间时仍然认为去除函数是不变的话，势必会影响驻留时间的精确求解，从而导致加工效率和加工精度的降低。

然而，应用于现有曲面光学零件的三轴和五轴加工工艺的材料去除模型通常采用近似或者补偿的加工方法，未能建立确定性抛光的准确修形模型，影响了制造精度和制造精度的进一步提升。因此，根据曲面光学零件几何形状、离子束加工方式和离子束加工参数等条件建立去除函数的精确模型，并且将其应用于光学零件加工时的驻留时间求解，对于实现光学零件的高精密高效制造具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够消除上述工艺条件对材料去除模型的影响、提升加工时所需驻留时间的求解精度、实现面形误差的精确去除的基于非线性建模的纳米精度光学曲面离子束加工方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于非线性建模的纳米精度光学曲面离子束加工方法，步骤包括：

1)获取待加工曲面光学零件的基本去除函数；

2)在基本去除函数的基础上，根据投影畸变、加工参数、待加工曲面光学零件在内的工艺条件进行非线性建模构造待加工曲面光学零件的动态去除函数的非线性模型；

3)根据所述动态去除函数的非线性模型对离子束抛光加工的驻留时间进行精确求解；

4)根据求解得到的驻留时间进行离子束抛光加工。

优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：

2.1)在基本去除函数的基础上，计算进行离子束抛光加工的离子扩散角γ；

2.2)利用离子溅射的分子动力学仿真软件获得离子束抛光加工的入射离子能量沉积的高斯分布参数，所述高斯分布参数包括能量沉积的平均深度ρ，沿离子入射方向的能量沉积宽度α、沿垂直于离子入射方向的能量沉积宽度β；