非球面光学元件的离子束抛光原理
2017-06-13 11:11:47   来源：微迷   评论：0   点击：

随着空间光学遥感技术的发展，不仅对航天相机光学系统中的非球面光学元件加工精度要求越来越高，还对非球面光学元件的技术效率提出了更高的要求。

传统凸非球面加工，如范成法、修带法等主要依赖于工艺人员手艺水平的加工方法很难达到较高的加工精度；随着计算机技术的发展，CCOS、应力盘抛光等计算机数控抛光技术在非球面反射镜加工领域取得了较好的加工结果，但在实践中发现，这些数控抛光方法随着加工时间的持续，其工具头产生了较大的磨损，去除特性不稳定，加工结果偏离了预期，导致非球面面形精度收敛效率低；离子束抛光技术则是基于离子溅射理论，利用惰性中性离子束能量流对光学表面进行轰击，从而实现了纳米精度的表面误差去除，具有去除特性稳定、无边缘效应、加工精度高等优点，在非球面加工阶段得到了广泛应用。

长期以来，离子束抛光被认为主要应用于非球面反射镜的精细加工，即通过CCOS 等数控抛光手段将非球面面形精度加工到λ/30～λ/20 时，再进行离子束抛光。试验结果表明，离子束抛光技术不仅能应用于非球面的精细加工，实现较高的面形精度，还能作为一种主要的加工手段，对非球面误差实现大去除量去除，提高非球面加工效率。

离子束抛光原理

1 基本原理

离子束抛光是基于原子溅射理论而发展起来的一种去除精度达原子级别的抛光技术，如下图 所示，带有一定能量的离子束（Ar+）流轰击非球面表面后，离子将同浅层光学表面内的原子不断地碰撞，在碰撞中与浅层原子进行能量交换，获得能量的原子继续将能量传递给周围原子，形成级联运动。当原子由于碰撞所获得的能量大到可以挣脱表面束缚时，将从固体表面脱离出去形成溅射原子。

离子束抛光原理

2 离子源工作原理

RF型射频离子源最早是由德国Giessen 大学的H.W. Loeb 教授于上世纪六十年代发明，具有结构简单、无极放电的优点，且经过多年的发展，已广泛应用于精细加工及特种加工领域。

射频离子源结构图

射频离子源的结构如上图所示，由等离子体发生器、束流引出系统和中和器三个主要部分组成。其工作原理为，首先将放电室充满工作气体氩气，由等离子体发生器控制射频电压进行射频放电。随后，控制离子束电压，增大放电室功率，提高放电等离子体浓度，当浓度大到一定程度时，启动加速栅极电压，等离子体束流经三级栅格抽取形成带有一定能量的离子束束流。此时，若中和器处于关闭状态，束流将直接作用于光学零件表面，由于光学零件多为绝缘性材料，电子将在表面积累，对离子束产生同性相斥，引起束流的强度变化，去除能力微弱，引起的表面去除量可以忽略不计。所以，需要启动中和器，对离子束束流进行中和，消除离子源发射正离子而引起的负电荷堆积。

凸非球面反射镜的初始面形误差分布

离子束抛光加工后的面形误差

由离子源的工作原理可知，离子源的可控工艺参数有真空度、氩气流量、射频电压、离子束电压、加速栅电压、中和电流等6 个主要参数，再加上离子源与待加工光学零件表面的加工距离，共计7 个工艺参数。通过对这些参数进行不同的组合，将会获取到不同去除特性的去除函数。在实际非球面加工过程中，要对这些参数进行工艺优化，选取最佳的工艺参数，既保证去除函数的稳定性，满足非球面反射镜的长时间加工；又要保证去除函数的精准性，实现对非球面表面误差的精确去除。

北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的通用离子束刻蚀系统，除了可进行传统微纳结构刻蚀外，还可实现离子束清洗、材料表面抛光等功能。在精密微光学器件方面，埃德万斯已成功为长春光机所研制了我国第一个大尺寸二元光学器件，并提供了成套设备和工艺软件。