超薄光学元件的精密性加工关键技术探讨

超薄光学元件的精密性加工关键技术探讨
周国尊
（西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129）
摘要：在加工超薄光学元件的过程中，会因为重力和磨头而产生应力形变。

于是，一种具有高效率、先进性加强的超薄光学元件综合加工法被提出。

这种方法在进行面形控制的时候，全面充分的运用了离子束修形、精密抛光、精密铣磨。

在开展精密铣磨的阶段时，主要是通过分析受力和采用误差补偿的方法以实现降低因为元件发生变形而造成的面形误差。

在超薄光学元件的精密抛光接管，则是主要利用气囊抛光迭代以及沥青抛光迭代以实现短时间内收敛收敛面形的目的。

在离子束加工的阶段，主要是利用离子束基本加工特点以实现修正面形的高精准度。

关键词：超薄光学元件；精密性；关键技术；综合加工
中图分类号：TQ171；TH161文献标识码：A文章编号：1001-5922（2019）10-0133-04 Discussion on Key Technologies of Precision Machining for
Ultra-thin Optical Elements
ZHOU Guo-zun
（Electronic information college，Northwestern Polytechnical University，Xi'an Shaanxi710129，China）
Absrtact：In the process of machining ultra-thin optical elements，stress deformation will occur because of gravi⁃ty and grinding head.Therefore，a comprehensive machining method of ultra-thin optical elements with high effi⁃ciency and advanced nature has been proposed.This method makes full use of ion beam modification，precision polishing and precision milling when controlling the surface shape.In the stage of precision milling and grind⁃ing，the surface shape error caused by the deformation of the component is reduced by analyzing the force and adopting the method of error compensation.In the precision polishing pipe of ultra-thin optical element，it is mainly to use the airbag polishing iteration and the asphalt polishing iteration to achieve the purpose of converg⁃ing the convergence surface in a short time.In the stage of ion beam processing，the basic machining characteris⁃tics of ion beam are mainly used to realize the high precision of modified surface shape.
Key words：ultra-thin optical elements；precision；key technologies；comprehensive processing
光学系统实现轻质化，最重要的保证就是实现光学元件的轻质化。

当今时代，科学技术发展如日中天，随之带动了光学工程技术提升，在当下以及未来，光学系统将朝着扩大口径，轻化质量，提升分辨率的方向发展。

特别是在现代航空航天、光刻物镜以及精密光学检测等等比较精密的光学系统中，光学仪器的精密度势必会受到光学元件的面形精准度决定性影响，与此同时，光学元件的重量将
收稿时间：2019-08-28
作者简介：周国尊（1984-），男，河北秦皇岛，博士研究生，研究方向：微纳光学器件。

E-mail：zhouguozun@。

会直接对光学系统的重量和制作整个光学系统的经济支出有决定性作用[1]。

实现光学元件轻质化的主要途径之一就是完成光学元件超薄设计，如今在行业领域中，应用平板型超薄光学元件已经成为大趋势，多种不同形式的计算机全息技术以及超薄光学元件系统的窗口设置与超高精密度的超薄元件紧紧联系在一起。

无论是国内还是国外，越来越多的科研机构针对于超薄元件的径厚作出了一系列研究，也得到了部分研究结果。

在美国的亚利桑光学中心，则是充分采用了基地支撑的方法，在相同材料的镜坯和基底进行铣磨，实现球面曲率半径相同，在通过将两个面进行对研，实现完全贴合，最终再通过使用沥青将这两个面进行粘连，在下盘之前借助于抛光技术和铣磨技术对其进行加工。

在我国的苏州大学，也有研究者采取相类似的方法进行探究，将面形的精准度做到了20nm左右，比美国的亚利桑光学中心的53nm要低出
33nm。

本文综合运用了离子束修形、精密抛光、精密铣磨等等在行业中比较先进的技术，加工径厚比为34的方形光学元件[2]。

1以形变误差补偿为基础的精密铣磨技术1.1以真空吸附为基础的基地支撑法
铣磨加工超薄镜的关键因素是在加工过程中的各种形变控制，控制形变能够为光学元件的硬度提供做起码的支撑。

在常见的支撑方法中，基地支撑法是应用最为普遍的，也具备光学元件制作所需要的硬度，但是在光学元件的上盘和下盘的时候会出现不同程度上的形变，在绝大多数的情况之下，上盘前的面形是要好过于下盘后的面形。

从这类问题出发，在光学元件进行铣磨阶段则是充分的使用了形变补偿机制，其主要目的是为了能够让下盘的面形要好过于下盘的面形[3]。

文章在对超薄光学元件进行探讨的时候，主要是使用真空吸附基地支撑法，这种方法的基本结构如图1所示。

第一步是制作出口径为24cm的平面铝盘，将中间的开口处当做是将内部空气抽干的主要气体通道，在平面铝盘上根据实际情况再制作一个凹槽，其口径为14cm，凹槽的主要功能是实现橡胶密封圈放置。

第二步是将0.8mm厚度的聚氨酯粘贴在铝盘上，让粘贴好的聚氨酯在铝盘上固化24h。

第三步主要是充分利用铣磨机去强化修整光学元件，尽最大的限度将光学元件的表面平滑度控制到μm级别，只有这样，才能够充分保证光学元件锲角[4]。

图1真空吸附基地支撑法的基本结构图Fig.1Basic structure diagram of vacuum adsorption base
support method
1.2超薄光学软件的形变误差补偿法
超薄光学元件实际上抗形变的能力是很差的，致使超薄光学元件发生变形的主要原因还是在于装卡和磨削磨轮时会产生过大的压力。

传统的超薄光学元件铣磨方式是很难实现理想中的表面面形[5]。

在本次研究中主要还是采用ANSYS元件仿真模拟在光学元件中受到装卡影响的受力情况和形变情况，研究的结果如图2
所示。

图2基底支撑法的受力分布和形变图Fig.2Distribution of forces and deformation of the base
support method
根据受力分布图可以发现，光学元件在不同的环带之上所受到的力不在不断变化的，受力从四周向中间逐渐增大。

形变图的环带变化也正是说明了这种现象。

根据基底支撑法的受力分布和形变图能够预测出光学元件的未来变化动向。

在试验过程中对两种不相同的铣磨方式作出比对，首先就是在光学元件加工中使用较为普通的铣磨方法，与此同时还要对轮廓仪进行检测[6]。

通过将光学元件的受力分布图和误差补偿前的图进行比对可以发现，实际的元件加工结果和仿真的结果之间存在的相反的方向，导致这种现象的原因主要是因为元件下盘后应力获得了释放，同时还出现回弹[7]。

图3铣磨面形补偿前后的结果
Fig.3Results before and after profile compensation
in milling
2以多工艺迭代为基础的精密抛光技术
2.1以气囊磨头为基础的精密抛光技术
在对光学元件进行加工的过程中，最重要的环节之一就是抛光。

在本次试验探究中，同时还需要对锲角和面形进行修正。

数控气囊抛光技术主要是依靠于CCOS原理，能够比较精准的对多种影响要素进行控制，增强数控气囊抛光技术的可控性，提升修正的精准度。

在光学元件的前期相关工艺试验中获得的经验中，铣磨亚表面发生损伤层的厚度大约在十几微米左右。

所以说，在去除光学元件亚表面损伤的时候想要提升速度，就可以采用聚氨酯气囊，并且要严格的按照对光学元件测量的实际结果为基础，作出反馈。

与此同时，在修正薄板的时候主要是从两个光学元件的面形以及锲角误差着手，在修成的时候，对锲角误差修正需要依靠某个光学表面，进而测量到另外一个光学表面相对于这个基面的倾斜角。

在本次超薄光学元件研究中，使用的气囊抛光设备是采购自英国Zeeko公司，这款产品的型号为IRP600。

加工的时候采取栅格路径，在进行实际加工的时候对参数的控制也是要按照标准执行，将气囊的半径设置为4.1cm，控制气囊压力达到105Pa，对压深的控制为0.3mm，对表面抛光角度控制在20°，抛光头的转速规定是1000r/min，栅格的间隔距离是0.5mm[8]。

2.2以沥青磨头为基础的光学平滑技术
在光学元件中利用气囊抛光的方式势必会导致边缘效应和中频出现，进而会影响到面形快速收敛时候的精准度。

传统抛光方式在超薄光学元件研究中是以研磨抛光作为核心的，可以有效的控制数控气囊所造恒的误差。

使用光学平滑技术可以切削气囊抛光和铣磨之后的残余，将抛光纹理予以全部清除，并且还能够充分的改善光学元件表面的粗糙度[9]。

3光学元件的高精度离子束修形
在光学元件中利用离子束修形技术（Ion Beam Figuting，IBF）的主要目的是为了可以在真空的环境之下，通过利用离子源所发射出的离子束轰击光学元件，在光学元件表面上的原子接收到来自外界的能量之后，就能够逐渐摆脱表面束缚能，进而会彻底的从光学元件表面彻底脱离，形成溅射原子，去除元件表面材料。

光学元件的高精度离子束修形的加工原理如图4
所示。

图4高精度离子束修形的加工原理图Fig.4Principle of high precision ion beam modification
光学元件的离子束修形是一种非接触式的光学加工技术，在加工工艺中充分利用这项技术可以高效的克服其它接触式CCOS技术在加工超薄光学元件的过程中所发生的速度变慢问题，甚至还有在加工超薄光学元件的时候发生的形变问题。

在对光学元件进行加工的时候，仍旧会出现因为元件的温度出现上升而导致的热变形现象，可是在完成对元件加工之后就会恢复原有的温度，面形也会逐渐恢复，不会产生太大的问题。

在前面的工序中，加工超薄光学元件所形成的面形水平是很低的，为了可以兼顾加工超薄光学元件的精准度和时间，可以将离子束修形分成两个部分展开实行，对离子源的配置分别是用30mm的栅网，控制靶距为135mm，无光阑以及使用30mm的栅网，控制靶距为25mm，光阑为10mm。

在进行高精度离子束修形的加工的时候对参数的把握要准确，符合元件生产加工工艺，屏栅的电压稳定控制在800V，屏栅的电流稳定控制在25mA，与此同时，对于元件离子束修形加工工艺中的加速栅电压要控制在100V，中和电流控制在80mA[10]。

按照生产工艺对光学元件进行加工，从而得到的去除函数如图5所示。

图5光学元件离子束修形去除函数
Fig.5Ion beam modification removal function for
optical elements
在图5光学元件离子束修形去除函数1中，可以明确得出其半高的宽度（FWHM）实际是15mm，峰值的去除率是每分钟是0.273μm，对于光学元件的体积去除率是70.1×10-3mm3/min。

在图5光学元件离子束修形去除函数2中，能够明确的而出其半高的宽度（FWHM）实际上是7.58mm，峰值的去除率每分钟是0.318μm，对于光学元件的体积去除率是19.5×10-3mm3/min。

光学元件在经过5轮的离子束修形之后，即对去除函数1进行加工4轮，对去除函数2进行加工1轮，得到元件面形的最终收敛上表面PV为24.013nm，RMS为1.423nm。

元件面形的最终收敛下表面PV为23.571nm，RMS为2.143nm。

4结语
在现如今检测高精度光学以及超精密光学系统中，已经逐渐的使用并且普二级超薄光学元件，超薄型光学元件本身就具有容易发生变形、并且元件的硬性比较小且厚径比大。

在本次关于超薄光学元件的精密性加工关键技术探讨中，主要是介绍了三种综合加工的方法，即离子束修形、精密铣磨以及精密抛光。

精密抛光主要是有效结合了沥青抛光和气囊抛光两种方式，进而将这两项技术方式的优势完全发挥出来，在最短的时间内去除
亚表面损伤的同时，还可以对中频误差产生抑制作用，并且还有效的控制住了元件的面形。

在光学元件中的精密铣磨则是主要通过使用误差补偿的方法补偿形变量，进而达到控制面形的目的。

离子束修形在光学元件中则是充分发挥出来其非接触加工当时的优势，达到了光学元件面形高精度快收敛的目的。

在进行加工实验的时候，采用厚径比为34的光学元件，其边长为152mm，厚度为6.35mm。

在实验的结果中表明，无论是离子束修形阶段还是精密铣磨阶段，亦或是精密抛光阶段，各项指标均已经满足了精密光学元件的要求，其中，最终的光学元件面形精度是PV为
15nm，RMS为1.5nm。

由此可见，在超薄光学元件的加工工艺中，使用精密铣磨、精密抛光和离子束修形，在提升高精度光学系统窗口、光学检测基板以及超薄元件等等高精密度工艺加工中，有着重要作用。

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