光学镜面离子束加工材料去除机理与基本工艺研究

论文摘要

光学系统性能要求随着科技的发展不断提高,观测系统、激光系统、光刻投影系统等技术的发展,对光学零件的需求激增,且技术要求较传统光学零件也有很大提升,突出体现在对大口径、大相对口径非球面、轻质薄型、离轴非球面等光学零件的全波段（有效口径内波前的各种空间频率成分）面形误差提出了严格要求。如何高效地加工出高精度光学零件是光学制造业必须解决的关键问题。离子束加工方法以离子溅射效应形成去除函数,利用CCOS（Computer Controlling Optics Shaping）成型原理对低频面形误差进行修正。非接触式的材料去除方式消除传统方法无法避免的边缘效应和工具磨损等问题,工艺过程高的确定性以及原子尺度的材料去除能力使得其成为高精度光学镜面最有希望的解决方案之一。本文从Sigmund溅射理论和CCOS成型原理出发,研究离子束加工中材料去除机理以及面形误差修正技术等方面的关键问题,以形成光学镜面离子束加工技术理论基础和工艺方法。论文的研究工作包括以下几个部分:1.从CCOS原理和Preston原理归纳出修形工艺中去除函数以及成型原理方面的一般性问题;基于CCOS原理,对离子束加工系统—KDIFS-500进行结构、功能和精度设计。建立加工系统的DH运动学模型,根据此模型对系统进行误差分析,并提出误差补偿和控制策略,给出加工系统的后置算法。2.基于Sigmund溅射理论,建立离子束加工过程特征指标—材料去除效率、扰动层厚度以及热效应与工艺参数之间的关系模型,在此基础上进行仿真和实验研究,建立工艺过程参数优选的理论基础。在对离子束修形过程进行抽象的基础上,基于Sigmund溅射理论和曲面局部结构理论,建立去除函数理论模型,分析去除函数的特征,并进行实验研究。基于CCOS成型原理,利用Hermite级数和Fourier级数,建立描述成型过程的双级数模型,进而分析工艺过程中去除函数扰动、测量误差、定位误差以及离散间隔对工艺过程的影响。此研究形成离子束加工工艺参数控制策略,并为修形工艺路线确定提供理论支撑。3.实验研究离子束加工后工件表面粗糙度随离子入射能量、材料去除深度等参数的变化关系,观察离子束加工后表面出现的特征结构,结合光学材料研抛阶段的亚表面损伤形成机理,分析表面粗糙度变化的原因。4.根据CCOS成型原理,结合驻留时间近似速度实现方式误差模型,建立基于Bayesian原理的驻留时间迭代算法,算法的正定性解决了驻留时间必须为正的问题。以此算法为基础,结合去除函数特征和路径规划,将低陡度曲面加工过程进行平面化近似,形成曲（平）面全口径加工统一的面形误差修正方法。在对去除函数回转对称处理基础上,将极轴修形过程近似成线性过程,以利用全口径方式Bayesian迭代算法求解驻留时间,通过在极轴加工方式中引入反映面形局部特征的驻留时间速度实现方式,解决了极轴方式修正非回转对误差的问题,形成面形误差极轴加工方式修正方法。以CCOS原理为基础,建立拼接加工过程的有限域非线性模型,并据此对Bayesian迭代算法进行相应改进后用于求解拼接加工驻留时间,针对对刀误差对拼接加工的影响,结合离子束加工的确定性,提出了误差“辨识—补偿”策略,最终形成面形误差拼接加工方式修正方法。5.在上述工作的基础上,结合常规CCOS方法的工艺流程,提出离子束全口径扫描加工方式、极轴扫描加工方式以及拼接扫描加工方式的工艺流程。通过对平面、球面以及非球面等镜面的修形的实验研究,验证工艺流程的可行性和正确性。工艺方法的显著特点是通过工艺参数”辨识—补偿”的闭环校正控制提高工艺系统的效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 离子溅射理论综述
• 1.2.2 离子束修形技术综述
• 1.2.3 表面粗糙度演变综述
• 1.2.4 微观表面形貌演变综述
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 KDIFS-500系统设计
• 2.1 CCOS 成型原理
• 2.1.1 CCOS 成型原理的提出
• 2.1.2 CCOS 成型原理一般化描述
• 2.2 KDIFS-500 加工系统设计
• 2.3 KDIFS-500 系统后置算法
• 2.3.1 系统建模
• 2.3.2 后置算法和误差分析
• 2.3.3 误差补偿
• 2.3.4 极坐标扫描方式后置算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 离子束加工材料去除机理和特征
• 3.1 离子溅射理论
• 3.1.1 离子溅射过程描述
• 3.1.2 Sigmund 溅射理论
• 3.1.3 溅射过程的数值仿真
• 3.2 材料去除效率
• 3.2.1 理论分析
• 3.2.2 仿真分析
• 3.2.3 实验研究
• 3.2.4 去除效率小结
• 3.3 材料扰动层分析
• 3.3.1 理论分析
• 3.3.2 仿真研究
• 3.4 热效应分析
• 3.4.1 仿真分析
• 3.4.2 实验研究
• 3.4.3 热效应研究小结
• 3.5 本章小结
• 第四章 去除函数多参数建模与实验研究
• 4.1 去除函数理论建模
• 4.1.1 法向去除率普遍形式
• 4.1.2 理论模型
• 4.1.3 表面粗糙度影响分析
• 4.2 去除函数特征分析
• 4.2.1 去除函数相似性
• 4.2.2 入射角度鲁棒性
• 4.2.3 时间关系
• 4.2.4 束流特性
• 4.2.5 束能鲁棒性
• 4.3 去除函数特征实验研究
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 短时重复性
• 4.3.3 去除函数相似性
• 4.3.4 入射角度鲁棒性
• 4.3.5 时间关系
• 4.3.6 束流关系
• 4.3.7 束能鲁棒性
• 4.4 去除函数其它特性实验研究
• 4.4.1 屏栅电流大范围调节
• 4.4.2 屏栅电压大范围调节
• 4.4.3 与靶距的关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 离子束作用下表面粗糙度演变实验研究
• 5.1 表面粗糙度演变实验设计
• 5.2 束能对表面粗糙度的影响
• 5.2.1 微晶玻璃
• 5.2.2 石英玻璃
• 5.3 去除深度对表面粗糙度的影响
• 5.3.1 微晶玻璃
• 5.3.2 石英玻璃
• 5.3.3 CVD SiC 材料
• 5.4 表面粗糙度演变讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 面形误差离子束修正技术
• 6.1 成型过程理论分析
• 6.1.1 成型过程的双级数模型
• 6.1.2 去除函数扰动对成型的影响
• 6.1.3 定位精度影响
• 6.1.4 采样间隔影响
• 6.2 面形误差全口径线性扫描方式修正技术
• 6.2.1 面形控制算法
• 6.2.2 驻留时间实现与求解优化
• 6.2.3 低陡度曲面路径规划
• 6.3 面形误差极轴扫描方式修正技术
• 6.3.1 工艺过程模型
• 6.3.2 驻留时间求解与实现
• 6.4 面形误差区域拼接方式修正技术
• 6.4.1 过程模型
• 6.4.2 驻留时间算法
• 6.4.3 参数辨识
• 6.5 本章小结
• 第七章 离子束修形基本工艺方法实验研究
• 7.1 离子束修形实验设计
• 7.2 平面修形工艺实验
• 7.2.1 微晶平面修形实验
• 7.2.2 CVD SiC 平面修形实验
• 7.3 曲面修形实验
• 7.3.1 Φ200 球面修形实验一
• 7.3.2 Φ200 球面修形实验二
• 7.3.3 抛物面修形实验
• 7.4 极轴方式修形实验
• 7.4.1 微晶平面修形实验
• 7.4.2 抛物面修形实验
• 7.5 拼接方式修形实验
• 7.5.1 工艺参数辨识
• 7.5.2 拼接加工
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果
• 参考文献表
• 附录
• 附录A：两维Hermite 级数
• 附录B：两维 Fouier 级数
• 附录C：驻留时间双级数模型求解
• 附录D：驻留时间双级数模型求解误差分析