离子束抛光设备及应用其的离子束抛光方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及精密加工技术领域，尤其涉及一种离子束抛光设备及应用其的离子束 抛光方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
【发明内容】
[0007](一）要解决的技术问题
[0008] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种离子束抛光设备及应用其的离子束抛光方 法，以提高离子束抛光设备的可控性及抛光精度。
[0009] (二）技术方案
[0010] 根据本发明的一个方面，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。
[0011] 根据本发明的一个方面，提供了一种利用上述离子束抛光设备的离子束抛光方 法。该离子束抛光方法包括：步骤A:进行离子束扫描轨迹规划，由目标待加工面形、扫描轨 迹规划的目标参数和离子束扫描模式得到规划待加工面形和刻蚀时间曲线；步骤B:进行 快门运动轨迹规划，由刻蚀时间曲线得到脉冲频率-时间曲线和步进数-时间曲线；以及步 骤C:将脉冲频率-时间曲线、步进数-时间曲线转换为离子束抛光设备的工作指令，传送 并执行该工作指令，实现对工件的离子束抛光。
[0012] (三）有益效果
[0013] 从上述技术方案可以看出，本发明离子束抛光设备及应用其的离子束抛光方法具 有以下有益效果：
[0014] (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；
[0015] (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；
[0016] (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】
[0017] 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；
[0018] 图2A为根据本发明实施例离子束抛光设备的结构示意图；
[0019] 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；
[0020] 图3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；
[0021] 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；
[0022] 图5为根据本发明实施例离子束抛光方法的流程图；
[0023] 图6是目标待加工面形；
[0024] 图7A是离子束扫描轨迹规划过程示例图；
[0025] 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；
[0026]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；
[0027] 图9是将X及Y折返形扫描所得待加工面形转换为待加工深度曲线的示例图；
[0028] 图10是设置优化计算的控制变量的示例说明图；
[0029] 图11是优化计算过程中的转换关系；
[0030] 图12是刻蚀时间的有限时间求和计算示意图；
[0031] 图13是优化的刻蚀时间曲线与目标刻蚀时间曲线的比较。
[0032] 【符号说明】
[0033] 1-离子束； 2-离子束束斑；
[0034] 10-快门机构
[0035] 11-X向限束快门；
[0036] 11a-第一挡板；lib-第二挡板；11c-驱动杆
[0037] 12-Y向限束快门；
[0038] 12a-第一挡板；12b-第二挡板；
[0039] 20-运动控制系统；
[0040] 21-上位机控制单元； 22-下位机运动控制器；
[0041] 23-电机驱动器； 24-反馈元件；
[0042] 30-工件；
[0043]41-X折返形扫描； 42-Y折返形扫描。
【具体实施方式】
[0044] 本发明涉及一种离子束抛光设备及应用其的离子束抛光方法，其通过对快门机构 和操控方法的改进，进一步提供了离子束抛光设备的可控性和控制精度。
[0045] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0046] 在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种离子束抛光设备。图2A为根据本 发明实施例离子束抛光设备的结构示意图。如图2A所示，本实施例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，所述离子束束斑2在工件表面移动，实现对工件的抛光。
[0047] 以下对本实施例离子束抛光设备的各个组成部分进行详细说明。
[0048] 本实施例中，工件台为至少可以在一个维度上移动的平台。现有技术中有各种各 样的工件台，此处不再对其进行详细描述。
[0049] 本实施例中，离子束发生器包括：发出离子束的离子源（未图示）；沿离子束束流 出射方向安装在离子源前端的快门机构10,其具有一形状和大小实时可控的通孔。其中，离 子源发出的离子束1经该快门机构10后，投射到工件30上，形成形状大小实时可控的离子 束束斑2。
[0050] 本发明对离子源并没有特别的要求，可采用现有技术的离子源，只要其发出离子 束的径向尺寸大于快门机构10的孔径即可。此外，需要说明的是，由于离子束存在一定 的发散度，束斑的口径可能比快门机构10的准直口径稍大，具体尺寸可通过刻蚀实验来确 定，这并不会影响本发明的实施。
[0051] 快门机构10设置于离子源和工件台之间，可根据实际要求适当调整其位置。快门 机构可由沿离子束1轴线叠置的至少两个可独立控制的快门装置组成，从而形成上述的形 状和大小实时可控的通孔。
[0052] 参见图1和图2,在离子束抛光过程中，从离子源发射的离子束经过快门机构后被 准直，而准直后的离子束投射在工件30上形成离子束束斑2,离子束束斑2在工件30表面 上进行匀速扫描。通过调节快门机构10的两个快门装置11和12,离子束束斑2的形状和 大小发生改变。
[0053] 在本实施例中，请参照图2A，快门机构10包括叠置的X向限束快门11和Y向限 束快门12,两者限定出一矩形的通孔。其中，X向限束快门11在X方向上对离子束进行限 束，Y向限束快门12在Y方向上对离子束进行限束。X方向和Y方向为相互垂直。两限束 快门限定出矩形通孔，从而将离子束限束为一矩