[发明专利]一种非球面离子束成型装置及方法

说明书

本发明公开了一种非球面离子束成型装置及方法。所述装置包括真空舱、工件旋转机构、工件夹持架、被加工件、离子束掩模板和离子源；真空舱为离子源提供真空工作环境并容纳其它部件；工件旋转机构用于旋转被加工件；工件夹持架用于悬挂夹持被加工件；离子束掩模板根据非球面及离子束分布情况设计成特定的形状遮拦并形成特定形状及分布的离子束。本发明所述非球面离子束成型装置及方法能快速成型高质量的非球面。

技术领域

本发明涉及离子束成型的技术领域，具体涉及一种非球面离子束成型装置及方法。

背景技术

现代光学系统中为提高成像质量，减轻系统复杂度，降低系统成本，越来越多地采用非球面光学元件。但是，高精度大偏离量的非球面在加工制造环节依然面临着各种各样的技术难题。

通常采用抛光粉研磨的传统方法加工非球面，但该方法精度有限，面形收敛不稳定，加工周期长，加工效率低，难以满足现代光学系统的需求。

基于离子束溅射原理的光学加工技术是现代光学元件加工的一种重要加工技术，其优势在于精度高、无表面应力、无边缘效应、确定性强、能加工硬、脆、软等多种特殊材料，不受工件面型的限制，非常适合高精度光学元件的低频面形误差修正。这些都是传统加工技术难以达到的。

当前的离子束抛光技术应用于大偏离量非球面的离子束成型时一般先采用传统工艺将光学元件制造成最接近球面，然后采用离子束进行非球面化。但是该离子束抛光方式一般采用聚焦后的小束径离子束加工，材料移除效率较低，而且在此过程中会导致一定的中频面形误差，在后期加工中难以去除，非球面面形精度无法进一步提升；且在进行非球面加工过程中由于难以精确对刀，容易引起非球面偏心。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提出一种非球面离子束成型装置及方法。

本发明提出的一种非球面离子束成型装置，包括真空舱、离子源、离子束掩模板、工件夹持架和工件旋转机构；

真空舱用于给离子源提供真空工作环境并容纳装置的其它部件。其存在真空门，用于打开并安装装置的其它部件或取放被加工件。大小及结构以能容纳其它部件即可。真空舱采用真空泵为其抽真空，为常规性工业装置，在此不再赘述。

离子源安装于真空舱内侧底部，自下而上喷射高速离子束，该离子束一般为氩气电离形成的氩离子束，但不限于该离子束。其喷射的离子束穿过掩模板的孔洞入射到被加工工件表面，在其动能作用下轰击工件表面原子，使其达到材料溅射去除的目的。离子源可采用射频离子源、考夫曼离子源、空心阴极离子源或微波离子源等大面积高密度高稳定性离子源，但不限于上述类型的离子源。

工件旋转机构安装于真空舱内侧顶部。下部安装工件夹持架。工件夹持在工件夹持架上。工件旋转机构最终用于驱动工件绕其中心旋转。工件旋转机构可采用电机驱动的转台搭建，但不限于该方式。被加的工件一般为圆形光学零件，但不限于圆形光学零件。

工件夹持架将工件被加工面朝下悬挂夹持，为常规性机械夹具，在此不再赘述。

离子束掩模板安置于离子源和工件之间，用于遮挡部分离子以形成特定形状及分布的离子束。掩模板的设计应结合离子束的空间分布和被成型光学元件表面材料去除量的要求进行二维设计。掩模板可采用石墨作为材料，但不限于该材料。非球面成型过程中，掩模板相对离子源保持不动，工件在旋转机构带动下绕工件中心匀速转动。

一种非球面离子束成型装置对光学元件实现非球面成型。采用如下的方法，包括如下的步骤，具体为：

步骤一，加工最接近球面：按照常规方法将被加工光学元件加工成目标非球面的最接近球面。

步骤二，掩模板设计：测定离子束的空间分布后，按照非球面偏移量及当前面形状况设计特定形状的离子束掩模板，同时计算采用该离子束掩模版所需要加工的时间。