彭利榮，馬占龍，王高文，王 飛，王東方

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130033)

1 引言

光學(xué)元件的輕質(zhì)化是光學(xué)系統(tǒng)輕質(zhì)化的重要保證。隨著現(xiàn)代光學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)正朝著口徑更大、質(zhì)量更輕、分辨率更高的方向發(fā)展。特別是在現(xiàn)代精密光學(xué)檢測、光刻物鏡和航空航天等精密光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)元件的面形精度直接決定著光學(xué)儀器的精度，它的重量直接決定著光學(xué)系統(tǒng)的重量以及該系統(tǒng)的造價(jià)［1-2］。在保證面形精度的情況下，進(jìn)一步降低光學(xué)元件的質(zhì)量在航天航空系統(tǒng)的有效載荷控制領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

光學(xué)元件的超薄設(shè)計(jì)是輕質(zhì)化的重要途徑之一。平板型超薄光學(xué)元件的應(yīng)用日趨廣泛，各種精密光學(xué)系統(tǒng)的窗口以及計(jì)算全息技術(shù)的基底都離不開超薄元件的高精度加工。國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)對大徑厚比的超薄光學(xué)元件加工開展了一系列研究，并且取得了一定的研究成果。美國亞利桑那光學(xué)中心采用基底支撐的方式，在同種材質(zhì)的基底和鏡坯材料銑磨出相同曲率半徑的球面，通過對研使兩個(gè)面完全貼合后用瀝青進(jìn)行粘接。然后進(jìn)行銑磨與拋光加工，直至面形達(dá)到要求后再下盤，最終的面形精度可以達(dá)到RMS 53 nm。蘇州大學(xué)采用類似的方法將面形精度做到RMS 20 nm左右［3］。南京天文光學(xué)技術(shù)研究所采用主動支撐技術(shù)，利用有限元分析計(jì)算確定55個(gè)支撐點(diǎn)的具體位置和支撐力的大小，通過主動變形補(bǔ)償加工過程中由外力引起的形變，最終將面形RMS 做到30 nm 左右［4］。

本文綜合運(yùn)用了精密銑磨、精密拋光、離子束修形等先進(jìn)技術(shù)，對徑厚比為34(邊長:152 mm，厚度:6.35 mm)的方形光學(xué)元件進(jìn)行加工。銑磨階段主要采用受力分析和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄑa(bǔ)償光學(xué)元件的形變，從而實(shí)現(xiàn)面形的控制。拋光階段采用氣囊拋光與瀝青拋光相結(jié)合的方式，在快速去除亞表面損傷和抑制中頻誤差的同時(shí)有效控制了元件面形。離子束修形發(fā)揮了非接觸加工方式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了元件面形的快速收斂。結(jié)果表明該方法加工的超薄光學(xué)元件達(dá)到超精密光學(xué)元件水平。

2 基于形變誤差補(bǔ)償?shù)木茔娔ゼ夹g(shù)

2.1 基于真空吸附的基底支撐法

超薄鏡的銑磨加工關(guān)鍵在于有效控制加工過程中的各種形變，這就需要為工件提供足夠剛度的支撐?；字畏ㄗ鳛楸容^常見的支撐方式，具有良好的剛度，但元件上下盤時(shí)會引入變形，一般下盤前的面形優(yōu)于下盤后的面形［5-6］。針對該現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)在銑磨階段引入了形變補(bǔ)償機(jī)制，使元件下盤后的面形優(yōu)于下盤前的面形。本文采用的真空吸附基底支撐法，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，加工一個(gè)口徑為240 mm的平面鋁盤，中間開孔作為抽真空的氣體通道，在鋁盤上加工一個(gè)口徑為140 mm的放置橡膠密封圈的凹槽;其次，將厚度為0.8 mm的聚氨酯粘貼在鋁盤上，固化24 h;最后，用銑磨機(jī)進(jìn)行修整，工裝表面平面度達(dá)到μm量級，有效保證了光學(xué)元件的楔角。

圖1 真空吸附基底支撐法結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the base supporting and vacuum adsorption method

2.2 形變誤差補(bǔ)償法

超薄光學(xué)元件抗形變能力較差，裝卡和磨輪磨削產(chǎn)生的壓力都會使元件發(fā)生變形。傳統(tǒng)銑磨方式很難得到理想的表面面形。實(shí)驗(yàn)用ANSYS軟件對裝卡之后的光學(xué)元件受力和形變情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知元件在不同環(huán)帶上受力大小逐漸變化，從中心到邊緣受力逐漸減小。圖2(b)的形變圖也反應(yīng)了元件的受力情況。

根據(jù)圖2的仿真結(jié)果可以預(yù)測到光學(xué)元件的變形趨勢。選用兩種銑磨方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，首先采用普通的銑磨方法進(jìn)行加工并用輪廓儀進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果為一個(gè)矢高為18 μm的近似球冠形狀。對比圖2(a)與圖3(a)可知，仿真結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果在方向上相反，這是由于元件下盤之后應(yīng)力釋放回彈的結(jié)果。結(jié)合前面的仿真結(jié)果和實(shí)際加工的面形結(jié)果，實(shí)驗(yàn)針對形變對加工參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償之后得到的銑磨面形結(jié)果如圖3(b)所示，面形結(jié)果約為1 μm。

圖2 基底支撐法的受力分布和形變圖Fig.2 Force distribution and deformation diagrams of the base supporting and vacuum adsorption method

圖3 銑磨面形補(bǔ)償前后的面形結(jié)果Fig.3 Surface error curves before and after milling grinding surface compensation

3 基于多工藝迭代的精密拋光技術(shù)

3.1 基于氣囊磨頭的精密拋光技術(shù)

拋光是光學(xué)加工的重要環(huán)節(jié)，本文所涉及的超薄鏡拋光需要同時(shí)修正面形和楔角等誤差?；贑COS原理的數(shù)控氣囊拋光技術(shù)通過對材料去除量、去除函數(shù)、駐留時(shí)間和路徑規(guī)劃等關(guān)鍵要素的精確控制，使該加工方式可控性更強(qiáng)，修正精度更高［7-8］。加工原理圖如圖4所示。

圖4 氣囊小磨頭拋光Fig.4 Principle scheme of bonnet small tool

根據(jù)前期的工藝試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，銑磨亞表面損傷層厚度為十幾微米。因此，需要采用聚氨酯氣囊拋光快速去除亞表面損傷，并且根據(jù)測量結(jié)果反饋，同時(shí)修正薄板兩個(gè)光學(xué)表面的面形誤差和楔角誤差，其中楔角誤差是以任意一個(gè)光學(xué)表面為基準(zhǔn)，測得另一個(gè)光學(xué)表面相對此基準(zhǔn)面的傾斜角度。實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)控拋光設(shè)備是英國Zeeko公司生產(chǎn)的IRP600型氣囊拋光機(jī)。采用柵格路徑加工，具體加工參數(shù)為:氣囊半徑為41 mm、氣囊壓力為105Pa、壓深為0.3 mm、拋光頭轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、柵格間距為 0.5 mm、拋光角度為20°。加工結(jié)果如圖5所示。

3.2 基于瀝青磨頭的光學(xué)平滑技術(shù)

由圖5可看出，氣囊拋光方式會產(chǎn)生一定的邊緣效應(yīng)和中頻，影響面形的高精度快速收斂?；谘心伖鈾C(jī)的傳統(tǒng)拋光方式可以有效抑制數(shù)控氣囊拋光產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)和中頻誤差，在實(shí)現(xiàn)光學(xué)表面平滑方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)。

用該方法進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，銑磨與氣囊拋光殘余的切削、拋光紋理全部被去除，同時(shí)粗糙度也有顯著的改善。

圖6 瀝青磨頭平滑結(jié)果Fig.6 Pitch polishing results

4 高精度離子束修形

離子束修形技術(shù)(Ion Beam Figuring，IBF)是利用離子源發(fā)射出的離子束在真空中轟擊光學(xué)元件，當(dāng)元件表面原子獲得足夠的能量可以擺脫表面束縛能時(shí)，就會脫離元件表面形成濺射原子，從而達(dá)到去除元件表面材料的目的，其加工原理如圖 7 所示［11-12］。

圖7 離子束加工原理圖Fig.7 Principle scheme of IBF

離子束修形作為一種非接觸式光學(xué)加工方法，克服了其它接觸式CCOS方法加工超薄光學(xué)元件面形收斂速度慢及光學(xué)元件容易變形等問題。雖然在加工過程中存在溫度升高引起的熱變形，但是隨著加工完成后溫度的恢復(fù)，面形也隨之恢復(fù)［13-15］。

由于前道工序加工完成的面形較差，為了兼顧加工效率和精度，將離子束修形分兩部分進(jìn)行，離子源配置分別為30 mm柵網(wǎng)、無光闌和135 mm靶距以及30 mm柵網(wǎng)、10 mm光闌和25 mm靶距。選取的主要工藝參數(shù)均為:屏柵電壓800 V，屏柵電流25 mA，加速柵電壓100 V，中和電流80 mA;獲得的去除函數(shù)如圖8所示，均為較理想的高斯型分布，其中去除函數(shù)1的半高寬(FWHM)為 15mm、峰值去除率為0.273 μm/min、體 積 去 除 率 為 70.1 ×10－3mm3/min;去除函數(shù)2的半高寬(FWHM)為7.58 mm、峰值去除率為0.318 μm/min、體積去除率為19.5×10－3mm3/min。經(jīng)5輪離子束修形后(去除函數(shù)1加工4輪，去除函數(shù)2加工1輪)，元件面形如圖9所示，最終收斂為上表面PV=25.029 nm、RMS=1.572 nm，下表面 PV=23.658 nm、RMS=2.227 nm(有效口徑140 mm)。

圖8 離子束去除函數(shù)Fig.8 Removal function of IBF

圖9 離子束精修結(jié)果Fig.9 Refinement results by IBF

5 結(jié)論

超薄型光學(xué)元件在現(xiàn)代超精密光學(xué)系統(tǒng)和高精度光學(xué)檢測中的應(yīng)用日趨廣泛，針對超薄光學(xué)元件徑厚比大、自身剛度小、易變形的特點(diǎn)，本文提出了一種基于精密銑磨、精密拋光、離子束修形等先進(jìn)技術(shù)的綜合加工方法。精密銑磨主要采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▽π巫兞窟M(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對面形的控制。精密拋光采用氣囊拋光與瀝青拋光相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮兩種拋光方式的技術(shù)優(yōu)勢，在快速去除亞表面損傷和抑制中頻誤差的同時(shí)有效控制了元件面形。離子束修形發(fā)揮了非接觸加工方式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了元件面形的高精度快速收斂。

選擇徑厚比為 34(邊長 152 mm，厚度6.35 mm)的方形光學(xué)元件進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示在銑磨、拋光、離子束修形階段的各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了精密光學(xué)元件的水平，最終的面形精度為PV=25 nm，RMS=1.5 nm。該加工方法可以廣泛應(yīng)用于高精度光學(xué)系統(tǒng)窗口、超薄元件、光學(xué)檢 測基板等超薄型光學(xué)元件的高精度加工。

［1］ 楊力.現(xiàn)代光學(xué)制造工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.YANG L.Modern Optical Manufacturing Engineering［M］.Beijing:Science Press，2008.(in Chinese)

［2］ 劉振宇，羅霄，鄧偉杰.大口徑非球面的組合加工［J］.光學(xué) 精密工程，2013，21(11):2791-2797.LIU ZH Y，LUO X D，DENG W J.Multi-mode optimization for large optical aspheric mirror［J］.Opt.Precision Eng.，2013，21(11):2791-2797.(in Chinese)

［3］ 黃啟泰，郭培基，倪穎，等.超輕超薄反射鏡加工工藝研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2007，33(5):741-744.HUANG Q T，GUO P J，NI Y，et al..Research on ultra-thin mirror fabrication techniques［J］.Optical Technique，2007，33(5):741-744.(in Chinese)

［4］ 黃啟泰，郭培基，余景池.超輕超薄反射鏡制造過程中的變形控制研究［J］.光電工程，2008，35(8):128-133.HUANG Q T，GUO P J，YU J CH.Controlling distortion in the process of ultra-thin mirror manufacture［J］.Opto-Electronic Engineering，2008，35(8):128-133.(in Chinese)

［5］ 康健，宣斌，謝京江.表面改性碳化硅基底反射鏡加工技術(shù)現(xiàn)狀［J］.中國光學(xué)，2013，6(6):824-833.KANG J，XUAN B，XIE J J.Manufacture technology status of surface modified silicon carbide mirrors［J］.Chinese Optics，2013，6(6):824-833.(in Chinese)

［6］ 黃啟泰，郭培基，余景池.超輕超薄反射鏡制造過程中的變形控制研究［J］.光電工程，2008，35(8):128-133.HUANG Q T，GUO P J，YU J CH.Controlling distortion in the process of ultra-thin mirror manufacture［J］.Opto-Electronic Engineering，2008，35(8):128-133.(in Chinese)

［7］ 王汝冬，王平，田偉，等.大口徑光學(xué)元件重力變形補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)分析［J］.中國光學(xué)，2011，4(3):259-263.WANG R D，WANG P，TIAN W，et al..Design and analysis of compensation of large aperture optical element for gravity deformation［J］.Chinese Optics，2011，4(3):259-263.(in Chinese)

［8］ APOLLONOV V V.Optics for high power lasers［J］.Chinese Optics，2013，6(1):1-6.

［9］ 張健，代雷，王飛，等.小磨頭自適應(yīng)拋光抑制高精度非球面中頻誤差［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(8):0822002.ZHANG J，DAI L，WANG F，WANG L P，et al..Restraint of mid-spatial-frequency error aspheric surface by small-tool adaptive polishing［J］.Acta Optica Sinica，2013，33(8):0822002.(in Chinese)

［10］ 周旭升，李圣怡，戴一帆，等.光學(xué)表面中頻誤差的控制方法—確定區(qū)域修正法［J］.光學(xué) 精密工程，2007，15(11):1668-1673.ZHOU X SH，LI SH Y，DAI Y F，et al..Correcting errors indefinite area:a new mechod for controlling mid-spatial-frequency errors in optical surface［J］.Opt.Precision Eng.，2007，15(11):1668-1673.(in Chinese).

［11］ 施春燕，袁家虎，伍凡，等.運(yùn)動軌跡對拋光誤差的影響分析和軌跡優(yōu)化研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(8):0822003.SHI CH Y，YUAN J H，WU F，et al..Analysis of polishing errors by tool paths and optimization of tool paths［J］.Acta Optica Sinica，2011，31(8):0822003.(in Chinese)

［12］ 周林，解旭輝，戴一帆，等.光學(xué)平面鏡離子束修形中速度模式的實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(7):152-156.ZHOU L，XIE X H，DAI Y F，et al.Realization of velocity mode in flat optics machining using ion beam［J］.J.Mechanical Engineering，2009，45(7):152-156.(in Chinese)

［13］ 戴一帆，周林，解旭輝，等.離子束修形技術(shù)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32(4):753-760.DAI Y F，ZHOU L，XIE X H，et al.Ion beam machining error control and correction for small scale optics［J］.Applied Optics，2011，50(27):5221-5227.(in Chinese)

［14］ LIAO W L，DAI Y F，XIE X H，et al..Corrective capability analysis and machining error control in ion beam figuring of high-precision optical mirrors［J］.Optical Engineering，2012，51(3):033402.(in Chinese)

［15］ 戴一帆，周林，解旭輝，等.應(yīng)用離子束進(jìn)行光學(xué)鏡面確定性修形的實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(6):1131-1135.DAI Y F，ZHOU L，XIE X H，et al..Deterministic figuring in optical machining by ion beam［J］.Acta Optica Sinica，2008，28(6):1131-1135.(in Chinese)