[實用新型]離子束拋光設備

有效

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• 申請日: 2015-06-12
• 公開（公告）號: CN204771859U
• 公開（公告）日: 2015-11-18
• 發(fā)明（設計）人: 吳麗翔;邱克強;曾思為;付紹軍
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 曹玲柱

技術領域

本實用新型涉及精密加工技術領域，尤其涉及一種離子束拋光設備。

背景技術

離子束拋光是一種超精密的光學加工技術。與傳統拋光工藝不同的是，離子束拋光一種原子量級上的無應力、非接觸式拋光，其基本原理是，在真空狀態(tài)下利用具有一定能量的惰性氣體(比如氬氣)離子轟擊工件表面，通過物理濺射效應去除表面材料。這種加工方式避免了傳統工藝中因預壓力所產生的表面或亞表面損傷，同時由于真空環(huán)境潔凈度很高，加工過程中不會引入雜質污染。另外，離子束拋光可用于制作超光滑表面，目前，離子束拋光的光學元件均方根RMS精度最高可達0.1～0.2納米。由于它具備高精度、無損傷和超光滑等優(yōu)點，離子束拋光技術被廣泛應用于精密光學元件加工和制造，特別是高端光學元件加工。

離子束拋光的加工尺寸范圍很廣，從毫米級的光學透鏡到米級的天文望遠鏡都適用。然而，不同尺寸的光學元件一般要求使用不同規(guī)格的離子束拋光設備。對于大尺寸的拋光應用，往往需要專門定制大型的離子束拋光設備。這種設備價格昂貴，用途比較單一。

在現有的離子束拋光設備中，離子束轟擊在光學元件上的方式有兩種。第一種是離子源發(fā)出的離子束直接轟擊在光學元件上，第二種是離子源發(fā)出的離子束經由一具有固定形狀通孔的擋板后，成為具有一定橫截面形狀且強度比較均勻的離子束，而后轟擊在光學元件上。相比于第一種方式，第二種方式可控性強，拋光效果好，已經成為離子束拋光普遍采用的設備。然而，隨著對拋光精度的要求越來越高，其可控性已經不能滿足要求。

此外，在現有離子束拋光技術中，離子束的掃描軌跡一般可分為兩種形式：一種是S形光柵掃描式，如圖1所示；另一種是螺旋形掃描式。對于S形光柵掃描，其掃描距離長，比較耗時，而螺旋形掃描只適用于處理圓形基片。

除了對加工設備的要求，離子束拋光過程的軌跡優(yōu)化也是一個關鍵部分。離子束拋光是一種確定性的加工方法。在拋光過程中，離子束束斑沿一定的軌跡在工件表面進行掃描，計算機實時控制束斑的行走速度和加速度，從而改變了工件上各點的駐留時間和拋光深度。駐留時間的求解一般是通過反卷積運算來實現的，而反卷積問題是個病態(tài)問題，如果再考慮離子束拋光設備機械部件的動力學極限，這種傳統求解方法存在一定的難度。

實用新型內容

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，本實用新型提供了一種離子束拋光設備，以提高離子束拋光設備的可控性及拋光精度。

(二)技術方案

根據本實用新型的一個方面，提供了一種離子束拋光設備。該離子束拋光設備包括：工件臺、離子束發(fā)生器和運動控制系統20。其中，工件放置于工件臺上，離子束發(fā)生器發(fā)出形狀和大小實時可控的離子束束斑2；運動控制系統20驅動工件臺和/或離子束發(fā)生器運動，離子束束斑2在工件表面移動，實現對工件的拋光。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本實用新型離子束拋光設備具有以下有益效果：

(1)采用了快門機構，該快門機構具有兩個作用：(a)對離子束起到準直作用；(b)調節(jié)離子束的大小和形狀，使得離子束在勻速掃描工作狀態(tài)下也可調節(jié)拋光深度，從而進一步提高了離子束拋光設備的可控性和控制精度；

(2)離子束的掃描軌跡采用耕牛式折返勻速掃描，相比于現有技術中的S形光柵掃描或螺旋形掃描，掃描行程更短，控制更簡單，精度更高；

(3)對于離子束拋光方法，不是采用一般駐留時間求解中的反卷積運算，而是基于最優(yōu)化原理，先進行離子束掃描軌跡規(guī)劃，再對快門運動軌跡進行優(yōu)化計算。該方法計算效率較高，可降低計算成本。

附圖說明

圖1為現有技術離子束拋光設備中S形光柵掃描式離子束掃描軌跡的示意圖；

圖2A為根據本實用新型實施例離子束拋光設備的結構示意圖；

圖2B為圖2A所示離子束拋光設備中快門機構中X向限束快門的控制示意圖；

圖3A和圖3B為圖2所示離子束拋光設備中兩種離子束束斑掃描軌跡的示意圖；

圖4為圖2所示離子束拋光設備中運動控制系統的結構示意圖；

圖5為根據本實用新型實施例離子束拋光方法的流程圖；

圖6是目標待加工面形；

圖7A是離子束掃描軌跡規(guī)劃過程示例圖；

圖7B是圖7A所示離子束掃描軌跡規(guī)劃過程中按照Y折返形掃描軌跡規(guī)劃的示例說明圖；

圖8是均方根偏差RMSD與束斑橫向寬度及掃描周期的關系曲線；