[发明专利]一种曲面光学元件的离子束光滑方法

说明书

技术领域

本发明涉及曲面光学元件加工的技术领域，具体涉及一种曲面光学元件的离子束光滑方法。

背景技术

现代光学系统对光学元件的表面粗糙度提出了越来越苛刻的要求。在某些应用领域，光学元件的表面粗糙度要求甚至优于0.1nm。传统的光学元件研磨技术往往难以满足现代光学系统的上述超光滑表面要求，基于低能宽束离子源的离子束光滑技术应运而生。该技术是采用低能宽束离子源以较大入射角掠入射光学元件表面，在表面原子的表面迁移作用下达到改善光学元件表面粗糙度的目的。该技术在改善平面光学元件表面粗糙度时观察到了较好的表面粗糙度改善效果。但是由于离子束轰击光学元件表面时，除了表面原子的迁移作用，也存在表面原子的溅射作用，即光学元件表面原子在离子束的轰击下，会挣脱表面势能的束缚，形成表面材料的移除效应，并且入射角度不同，其表面移除速率也存在差异。

对于平面光学元件，离子束以一定角度轰击光学元件时，离子束相对光学元件表面各点的入射角度是一致的，因而表面材料移除速率可以认为是一致的，即在此过程中，光学元件表面只是均匀地移除了一层材料，既达到了表面粗糙度改善的目的，又没有破坏光学元件的表面面形。但是对于曲面光学元件，离子束相对光学元件表面各点的入射角度是不一致的，因而表面材料移除速率不一致，表面材料的移除是不均匀的，即改善表面粗糙度的同时，也破坏了光学元件的表面面形。

发明内容

为了克服离子束光滑技术应用于曲面光学元件时存在的上述问题，本发明提出一种离子束光滑方法，该方法能够在改善光学元件表面粗糙度的同时，保持光学元件的原有面形。

本发明采用的技术方案为：一种曲面光学元件的离子束光滑方法，包括如下的步骤：

步骤(1)、检测初始面形。采用干涉仪作为检测设备，检测曲面光学元件的初始面形，其分布函数为r₁(x,y)。干涉仪为光学元件面形检测用的常规仪器，在此不再赘述。初始面形由两部分构成，包括期望面形r₀(x,y)和初始面形误差r_e(x,y)，即其用函数表示为：r₁(x,y)＝r₀(x,y)+r_e(x,y)，其中(x,y)表示面形误差分布点的拓扑坐标位置(下同)。但初始面形108中不包括基准曲面轮廓，基准曲面轮廓表征的是曲面的总体形貌，包括平面、凸面和凹面等。

步骤(2)、进行离子束预光滑试验：依照曲面试验光学元件的轮廓，规划离子束光滑路径。编写数控程序在真空环境中进行离子束预光滑试验，并保存扫描路径及参数。由于一般扫描过程由数控系统控制，因而保存数控代码即可。一般情况下，按照S型光栅路径均匀扫描试验光学元件的被加工表面以进行离子束光滑试验。扫描时要求离子束的入射方向与工件表面任意点的法矢量方向夹角保持一致，并保持较大的入射角度，一般而言，入射角度应在60至85度之间。其中试验光学元件的被加工表面向下，离子束倾斜入射试验光学元件的被加工表面，离子束与试验光学元件表面法矢量方向夹角为80度，但不限于80度。保持匀速扫描，扫描速率为v₁，典型的扫描速率v₁为50至200mm/min，但不限于该速率范围。

步骤(3)、重新检测面形，计算材料移除速率。取下试验光学元件，采用干涉仪重新检测面形误差分布，其函数表示为r₂(x,y)，并与步骤(1)中检测得到的初始面形误差分布进行对比，计算出步骤(2)中进行离子束预光滑过程中材料移除量，其函数表示为r_m1(x,y)，其中：

r_m1(x,y)＝r₁(x,y)-r₂(x,y)

步骤(4)、拟定正式光滑参数：经验试验表明，光学材料受离子束大角度倾斜轰击一段时间后，其表面粗糙度会得到理想的改善，该改善程度依照不同材料和改善要求时间各有不同。对于典型的熔石英光学材料而言，一般单点轰击30分钟可获得理想的表面粗糙度改善。据此，确定正式抛光时的扫描速率v₂，且v₂<v₁,一般v₂为5至20mm/min；