[实用新型]离子束抛光设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及精密加工技术领域，尤其涉及一种离子束抛光设备。

背景技术

离子束抛光是一种超精密的光学加工技术。与传统抛光工艺不同的是，离子束抛光一种原子量级上的无应力、非接触式抛光，其基本原理是，在真空状态下利用具有一定能量的惰性气体(比如氩气)离子轰击工件表面，通过物理溅射效应去除表面材料。这种加工方式避免了传统工艺中因预压力所产生的表面或亚表面损伤，同时由于真空环境洁净度很高，加工过程中不会引入杂质污染。另外，离子束抛光可用于制作超光滑表面，目前，离子束抛光的光学元件均方根RMS精度最高可达0.1～0.2纳米。由于它具备高精度、无损伤和超光滑等优点，离子束抛光技术被广泛应用于精密光学元件加工和制造，特别是高端光学元件加工。

离子束抛光的加工尺寸范围很广，从毫米级的光学透镜到米级的天文望远镜都适用。然而，不同尺寸的光学元件一般要求使用不同规格的离子束抛光设备。对于大尺寸的抛光应用，往往需要专门定制大型的离子束抛光设备。这种设备价格昂贵，用途比较单一。

在现有的离子束抛光设备中，离子束轰击在光学元件上的方式有两种。第一种是离子源发出的离子束直接轰击在光学元件上，第二种是离子源发出的离子束经由一具有固定形状通孔的挡板后，成为具有一定横截面形状且强度比较均匀的离子束，而后轰击在光学元件上。相比于第一种方式，第二种方式可控性强，抛光效果好，已经成为离子束抛光普遍采用的设备。然而，随着对抛光精度的要求越来越高，其可控性已经不能满足要求。

此外，在现有离子束抛光技术中，离子束的扫描轨迹一般可分为两种形式：一种是S形光栅扫描式，如图1所示；另一种是螺旋形扫描式。对于S形光栅扫描，其扫描距离长，比较耗时，而螺旋形扫描只适用于处理圆形基片。

除了对加工设备的要求，离子束抛光过程的轨迹优化也是一个关键部分。离子束抛光是一种确定性的加工方法。在抛光过程中，离子束束斑沿一定的轨迹在工件表面进行扫描，计算机实时控制束斑的行走速度和加速度，从而改变了工件上各点的驻留时间和抛光深度。驻留时间的求解一般是通过反卷积运算来实现的，而反卷积问题是个病态问题，如果再考虑离子束抛光设备机械部件的动力学极限，这种传统求解方法存在一定的难度。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种离子束抛光设备，以提高离子束抛光设备的可控性及抛光精度。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供了一种离子束抛光设备。该离子束抛光设备包括：工件台、离子束发生器和运动控制系统20。其中，工件放置于工件台上，离子束发生器发出形状和大小实时可控的离子束束斑2；运动控制系统20驱动工件台和/或离子束发生器运动，离子束束斑2在工件表面移动，实现对工件的抛光。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型离子束抛光设备具有以下有益效果：

(1)采用了快门机构，该快门机构具有两个作用：(a)对离子束起到准直作用；(b)调节离子束的大小和形状，使得离子束在匀速扫描工作状态下也可调节抛光深度，从而进一步提高了离子束抛光设备的可控性和控制精度；

(2)离子束的扫描轨迹采用耕牛式折返匀速扫描，相比于现有技术中的S形光栅扫描或螺旋形扫描，扫描行程更短，控制更简单，精度更高；

(3)对于离子束抛光方法，不是采用一般驻留时间求解中的反卷积运算，而是基于最优化原理，先进行离子束扫描轨迹规划，再对快门运动轨迹进行优化计算。该方法计算效率较高，可降低计算成本。

附图说明

图1为现有技术离子束抛光设备中S形光栅扫描式离子束扫描轨迹的示意图；

图2A为根据本实用新型实施例离子束抛光设备的结构示意图；

图2B为图2A所示离子束抛光设备中快门机构中X向限束快门的控制示意图；

图3A和图3B为图2所示离子束抛光设备中两种离子束束斑扫描轨迹的示意图；

图4为图2所示离子束抛光设备中运动控制系统的结构示意图；

图5为根据本实用新型实施例离子束抛光方法的流程图；

图6是目标待加工面形；

图7A是离子束扫描轨迹规划过程示例图；

图7B是图7A所示离子束扫描轨迹规划过程中按照Y折返形扫描轨迹规划的示例说明图；

图8是均方根偏差RMSD与束斑横向宽度及扫描周期的关系曲线；