确定光学元件离子束均匀等速刻蚀最优延拓距离的方法与流程

本发明涉及精密制造技术领域，尤其涉及一种确定光学元件离子束均匀等速刻蚀最优延拓距离的加工方法。

背景技术：

离子束抛光通常用于超精密光学元件的最终加工,是一种去除精度达到原子级别的抛光技术，被认为是加工精度最高，修形效果最好的光学元件修形技术。在此过程中，具有一定能量和空间分布的离子束流轰击光学元件表面，利用轰击时发生的物理溅射效应去除光学元件表面材料，达到修正面形误差的目的，加工精度达到纳米级。离子束抛光的材料去除机理决定了离子束抛光具有加工精度高、确定性好、非接触式加工和高斯形去除函数的特点。

光学元件表面存在微纳级缺陷、划痕时，可采用离子束抛光的方法，在光学元件表面等速均匀去除一定厚度的光学基体材料。当采用离子束抛光方法进行去除修复时，由于离子束束径比较小，体积去除效率较低，并且为了避免边缘效应的产生，需要对驻留时间面形进行边缘延拓，这将使得元件的加工需要十几个小时，甚至更长时间，其耗电率极高；此外，离子源也会因长时间工作而降低使用寿命。

为提高加工效率，缩短加工周期，降低加工成本，需要一种确定最优的驻留时间面形延拓距离，以提高光学元件离子束均匀等速刻蚀效率的加工方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种确定光学元件离子束均匀等速刻蚀最优延拓距离的方法，以缩短加工周期并提高加工效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种确定光学元件离子束均匀等速刻蚀最优延拓距离的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定元件面形采样阵的采样间距和驻留时间面形的采样间距

根据待加工元件的测量面形确定元件的面形采样阵的采样间距dmn，驻留时间面形和面形采样阵的采样间距相同；

2)等速均匀刻蚀

通过在所有的驻留点上驻留相同驻留时间的方法来实现对光学元件的等速均匀刻蚀；并且将驻留时间面形向外进行延拓，延拓距离dexten如式(1)所示：

dexten≥3σ(1)

其中，dexten为驻留时间面形的延拓距离，σ是去除函数的分布系数，d/2＝3σ，d为离子束直径；

3)通过预测曲线确定驻留时间面形的最优延拓距离

a、确定标准边界

引入边界因子γ来计算驻留时间面形的延拓距离dexten，如式(2)所示：

dexten＝γ·dstand(2)

其中，dstand为标准延拓距离，且dstand＝3σ；

b、绘制预测曲线

a)、在边界因子γ值下的加工时间tγ、材料去除量z(x,y)及材料去除量z(x,y)面形的rmsy值分别如式(3)、式(4)及式(5)所示：

tγ＝nγ·t0(3)

rmsγ＝rms(z(x,y))(5)

其中，nγ为在边界因子γ值下的驻留点总数，t0为每个驻留点上都驻留相同的时间；t(x,y)是驻留时间函数，表示离子束在各驻留点上的驻留时间；r(x,y)是去除函数，rmax为峰值去除率，σ为分布系数；z(x,y)为上述去除函数r(x,y)和驻留时间函数t(x,y)的卷积；

b)、把不同γ值计算所得的加工时间tγ和材料去除量面形rmsy作图表示，每一个γ值的计算结果(tγ，rmsγ)对应于坐标系中的一个点，将这些点按照γ值由小到大的顺序连接起来就构成了一条曲线，该曲线定义为预测曲线；

c、确定驻留时间面形的最优延拓距离

所述预测曲线在γ＜γ1值时，随着γ值的增加，加工时间tγ的增加量小，但是材料去除量面形的rmsγ值迅速下降；γ＞γ1值时，随着γ值的增加，加工时间tγ的增加量大，但是材料去除量面形的rmsγ值下降缓慢，该γ1为所述预测曲线上的拐点处的γ值，该γ1值是最优的驻留面形延拓值，驻留时间面形的延拓距离dexten＝γ1*3σ。

优选地，在步骤b中，在每个驻留点上驻留的时间t0为0.02s。

在步骤c中，在元件表面的材料去除量在各驻留点是均匀的，则材料去除量面形rmsy值趋于0。

在步骤c中，γ1为1.05s，峰值去除率rmax为1.5952nm/s，分布系数σ为3.9794mm，延拓距离dexten为12.535，加工时间tγ为333.6653min。

优选地，材料去除量面形的误差pvγ值为0nm，材料去除量面形rmsγ值为1.63×10^-9nm。

与现有技术相比，本发明在使用离子束均匀刻蚀光学元件表面时，需要对驻留时间面形进行延拓以避免去除量面形中边缘效应的产生，通过设置边界因子，把不同γ值计算所得的加工时间t和材料去除量面形rms值作图表示，每一个γ值的计算结果(tγ，rmsγ)对应于坐标系中的一个点，将这些点按照γ值由小到大的顺序连接起来就构成了“预测曲线”。合理的γ值位于预测曲线上的拐点处，拐点处在较短的加工时间内可以实现较好地加工效果，有效提高对光学元件等速均匀刻蚀的加工效率。

附图说明

图1为本发明中离子束等速均匀刻蚀光学元件材料时光学元件面形和驻留时间面形的示意图；

图2为本发明中典型的预测曲线形状；

图3为本实施例待加工光学元件的结构示意图；

图4为本实施例使用的去除函数；

图5为本实施例得到的预测曲线；

图6为本实施例在最优延拓距离得到的材料去除量面形。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图6所示，本发明实施例的确定光学元件离子束均匀等速刻蚀最优延拓距离的方法包括以下步骤：

1)确定元件面形采样阵的采样间距和驻留时间面形的采样间距：根据待加工元件的测量面形确定元件的面形采样阵的采样间距dmn，驻留时间面形和面形采样阵的采样间距相同；本实施例中，对直径为50mm的圆形光学元件进行离子束等速均匀刻蚀，驻留时间面形采样阵和元件面形采样阵都使用相同的采样间距dmn；

2)等速均匀刻蚀：

在光学元件的离子束均匀等速刻蚀过程中，通过在所有的驻留点上驻留相同驻留时间t0的方法来实现对光学元件的等速均匀刻蚀；本实施例中，t0为0.02s，即本实施例中通过在所有驻留点上均驻留0.02s的方法来实现对元件材料的等速均匀刻蚀；为了避免边缘效应的产生，将驻留时间面形1向外进行边缘延拓，延拓区域为2，参见图1所示；延拓距离应大于离子束直径d的一半，本实施例中的延拓距离dexten如式(1)所示：

dexten≥3σ(1)

其中，dexten为驻留时间面形的延拓距离，σ是去除函数的分布系数，d/2＝3σ，d为离子束直径，σ＝3.9794mm，则dexten≥11.9382mm；

3)通过预测曲线确定驻留时间面形的最优延拓距离：

a、确定标准边界

为了便于分析，标准延拓距离dstand＝3σ，并引入边界因子γ来计算驻留时间面形的延拓距离dexten，由上述的边界因子计算得到的延拓距离dexten如式(2)所示：

dexten＝γ·dstand(2)

其中，dstand为标准延拓距离，且dstand＝3σ；

b、绘制预测曲线：为了确定最优的驻留时间面形延拓距离，选取不同的边界因子γ值进行仿真加工，具体如下：

a)、在边界因子γ值下的加工时间tγ如式(3)所示：

tγ＝nγ·t0(3)

其中，nγ为在边界因子γ值下的驻留点总数，t0为每个驻留点上都驻留相同的时间，t0为0.02s，则tγ＝nγ·0.02；

在边界因子γ值下的材料去除量z(x,y)如式(4)所示：

其中，z(x,y)为上述去除函数r(x,y)和驻留时间函数t(x,y)的卷积；t(x,y)是驻留时间函数，表示离子束在各驻留点上的驻留时间；r(x,y)是去除函数，参见图4所示，rmax为峰值去除率，σ为分布系数；

在边界因子γ值下的材料去除量z(x,y)面形的rmsy值如(5)所示：

rmsγ＝rms(z(x,y))(5)

b)、把不同γ值计算所得的加工时间tγ和材料去除量面形rmsy作图表示，每一个γ值的计算结果(tγ，rmsγ)对应于坐标系中的一个点，将这些点按照γ值由小到大的顺序连接起来就构成了一条曲线，该曲线定义为预测曲线，预测曲线通常为图2所示的形状；在本实施中，根据如表1所示的不同γ值的仿真结果，得到的预测曲线具体如图5所示。

表1为在不同γ值下的仿真加工结果

c、确定驻留时间面形的最优延拓距离

如图5所示，预测曲线大致呈l型，并参见表1所示，其中，横坐标是加工时间，纵坐标是去除量面形，γ曲线的箭头方向指向γ增大的方向；选取预测曲线上的拐点处的γ的取值γ1为最优值，γ1为1.05，由于预测曲线在γ＜1.05时，随着γ值的增加，加工时间tγ的增加量变化不大，也就是说，加工时间tγ的增加量变化小，但是材料去除量面形的rmsγ值迅速下降；γ＞1.05值时，随着γ值的增加，加工时间tγ的增加量大，但是材料去除量面形的rmsγ值下降缓慢，因此，预测曲线上拐点处的γ1值是最优的驻留面形延拓值，驻留时间面形的延拓距离dexten＝γ1·3σ。

本实施例中，如图4所示，峰值去除率rmax为1.5952nm/s，分布系数σ为3.9794mm，参见图5所示，加工时间tγ为333.6653min，γ1为1.05，由此得出延拓距离dexten为12.535mm；材料去除量面形的误差pvγ值为0nm，材料去除量面形rmsγ值为1.63×10^-9nm，参见图6所示。

在使用离子束均匀刻蚀光学元件表面时，需要对驻留时间面形进行延拓以避免去除量面形中边缘效应的产生。目前由于采用在所有驻留点上驻留相同的时间来实现材料的均匀去除，驻留时间面形的延拓会导致加工时间的增加，因此，需要确定最优的驻留时间面形延拓距离，以保证在较短的时间内实现对材料的均匀去除，提高光学元件离子束均匀等速刻蚀效率。上述实施例中，通过设置边界因子γ，把不同γ值计算所得的加工时间t和材料去除量面形rms值作图表示，每一个γ值的计算结果(tγ，rmsγ)对应于坐标系中的一个点，将这些点按照γ值由小到大的顺序连接起来就构成了“预测曲线”，合理的γ值位于预测曲线上的拐点处，该拐点处在较短的加工时间内可以实现较好地加工效果，有效提高对光学元件等速均匀刻蚀的加工效率。