离子束抛光大口径非球面去除模型与工艺研究

发布时间：2017-07-06 19:05

  本文关键词：离子束抛光大口径非球面去除模型与工艺研究

  更多相关文章： 大口径 非球面 离子束抛光 去除模型 抛光工艺 表面质量

【摘要】：随着现代光学系统的不断发展,要求有更高的分辨率、更大的视场角。对光学系统中光学表面的要求标准也越来越高。非球面的引入能够有效的减小系统的复杂性、尺寸与重量。尤其是在大口径空间遥感仪器中,非球面具有十分重要的应用意义。由此对大口径非球面的精密加工提出更高要求,面形误差RMS值需要优于λ/60(λ=632.8 nm)。仅仅采用接触式的磨盘加工法难以达到如此高的加工精度,因为在加工过程中磨盘与光学表面需紧密接触,但是对于大口径非球面磨盘难以与表面吻合,造成材料去除率不稳定并可能向光学表面引入中频误差。除此之外,复印效应与边缘效应也影响磨盘技术进一步提升抛光质量。为实现大口径非球面更高精度的抛光,多种新技术被引入到光学加工领域。包括离子束抛光、磁流变抛光、气囊抛光、等离子体抛光与射流抛光等。离子束抛光是利用具有一定能量与空间分布的离子束流轰击表面,实现材料精密去除的一种非接触式光学加工手段。与传统加工方法相比,离子束抛光去除函数稳定性高、可控性好且没有复印效应与边缘效应,更适合大口径高陡度非球面的高精度抛光。作为一种高确定性加工手段,离子束抛光过程中去除函数信息的准确性是保证更高加工精度的基础。尤其是在离子束抛光大口径非球面的过程中,曲面去除函数与平面基准去除函数相比发生明显变化,为确保达到更高的加工精度,本文对离子束抛光大口径非球面过程中材料去除模型、曲面去除函数计算补偿以及相关加工工艺进行了系统研究,主要包括以下几个方面内容:1.离子束抛光基准去除函数模型建立与分析离子束抛光材料去除模型对于计算离子束抛光的去除函数与材料去除率具有重要意义。本文基于西格蒙德溅射理论对离子束抛光过程中材料去除过程进行了系统分析,由于能量分布不同导致的材料去除率变化,证明离子束流正入射平面时能够得到近高斯型去除函数。定义离子束正入射平面时单位时间材料去除分布为基准平面去除函数,并分别从离子束流性质与离子源工作参数两个角度出发,对影响离子束基准去除函数性质的因素进行了系统分析。2.离子束抛光过程中去除函数的在线检测与实时监控作为一种高精度的光学抛光手段,需要对去除函数进行准确的测量标定与计算,同时保证去除函数在抛光过程中的稳定性。通过去除函数实验得到去除函数数据虽然可以满足测量精度要求,但是实验成本高、周期长且无法进行在线测量。本文利用法拉第杯扫描得到的离子束流分布结果计算得到去除函数能够实现去除函数的在线测量。由离子束抛光材料去除模型可知,去除函数由离子束流空间分布和离子能量共同决定,对法拉第扫描结果进行计算,可以得到与去除函数实验同样精度的去除函数信息。此方法成本低、周期短并能对不同工作参数的去除函数进行实时监测。3.矩阵法修正离子束抛光高陡度非球面过程中去除函数变化与正入射到平面的状况不同,在离子束抛光高陡度非球面的过程中,由于光学表面上离子束流分布、浓度与离子入射参数均发生变化,去除函数也有明显变化,需要对其进行修正和补偿以解算更准确的驻留时间。根据离子溅射原理能量沉积理论建立曲面去除函数计算模型,并分析了曲面去除函数与平面基准去除函数之间的区别。提出了利用光学表面几何信息、离子束流空间分布等主要信息计算得到曲面去除函数变化矩阵,将平面基准去除函数与曲面去除函数变化矩阵相结合计算非球面抛光过程中曲面去除函数。并根据实际工程需要,分别对三轴离子束抛光系统和五轴离子束抛光系统加工非球面过程中的去除函数变化进行了分析。提出两种不同程度的近似计算方法,实现曲面去除函数的快速计算,有效的计算得到离子束抛光非球面过程中曲面去除函数信息,保证了离子束抛光非球面的效率和质量。4.离子束抛光过程中改善材料表面质量的工艺研究精密光学系统对光学表面质量的要求越来越高,提升抛光后光学表面质量具有重要意义。针对常见的镜面材料进行仿真计算与实验,探究离子束作用下镜面表面质量演化的物理过程。离子束提升表面质量的主要方法有离子束直接光滑法与牺牲层辅助离子束光滑法,分别对两者的作用原理与适用范围进行了研究和分析,针对不同材料采用不同策略达到改善表面质量的目标。大口径非球面加工过程中镜面误差的中频成分将影响镜面精度与光学系统成像质量。本文结合离子束加工材料去除特点提出两种抑制中频误差的方法,一种是大磨盘与离子束抛光组合加工法;另一种是附加材料辅助离子束抛光法,实验证明两种方法均能够比较有效的抑制和去除镜面中频误差成分,效果比较理想。5.离子束抛光大口径非球面应用实验在上述研究的基础上,建立了离子束抛光多种材料的数据库,并建立完善了离子束抛光大口径非球面的工艺操作流程,并完成了多项大口径离轴非球面反射镜的高精度抛光工作,其中包括φ1450 mm硅改性层离轴非球面的抛光,经过共30小时的加工,面形误差RMS值由50.912 nm达到8.785 nm。能够很好的满足加工精度需求。本文对离子束抛光大口径非球面过程中遇到的主要问题与加工工艺进行了系统研究,建立了曲面去除函数模型,对离子束抛光大口径非球面过程中的去除函数信息进行准确计算,并以此为基础利用矩阵算法解算加工驻留时间。在加工工艺发面,提出利用离子束抛光提升镜面质量、抑制镜面中频误差的方法,克服了传统加工方法对加工精度的限制。根据大口径非球面加工特点,完善了离子束抛光大口径非球面工艺流程,提升了离子束抛光效率、准确性以及应用范围。
【关键词】：大口径 非球面 离子束抛光 去除模型 抛光工艺 表面质量
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74;TQ171.684
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 第1章 绪论14-42
• 1.1 课题背景及研究意义14-17
• 1.2 常用的非球面加工技术简介17-38
• 1.2.1 传统光学加工法17-18
• 1.2.2 范成法非球面加工18-19
• 1.2.3 计算机控制光学表面成形法19-22
• 1.2.4 小磨盘加工法22-25
• 1.2.5 应力加工法和应力盘加工法25-27
• 1.2.6 气囊抛光法27-28
• 1.2.7 等离子体化学蒸发法28-29
• 1.2.8 磁流变抛光法29-32
• 1.2.9 离子束抛光法32-37
• 1.2.10 加工技术小结37-38
• 1.3 研究的目的和意义38
• 1.4 主要研究内容38-42
• 第2章 离子束抛光材料去除原理与去除模型建立42-76
• 2.1 概述42-43
• 2.2 离子束抛光材料去除43-48
• 2.2.1 离子与物质作用物理过程43-45
• 2.2.2 离子溅射效应45-47
• 2.2.3 离子束抛光去除函数的形成47-48
• 2.3 离子束抛光去除函数特点48-57
• 2.3.1 光学加工离子源性能对比48-52
• 2.3.2 去除函数的光学加工特征52-54
• 2.3.3 离子入射参数对去除函数的影响54-57
• 2.4 离子束抛光去除函数的在线测量57-66
• 2.4.1 离子束空间分布测量57-60
• 2.4.2 离子浓度分布于去除函数关系60-66
• 2.5 离子源工作参数对去除函数的影响66-73
• 2.5.1 离子能量电压、气体流量与射频功率的影响67-69
• 2.5.2 离子光学系统对去除函数的影响69-73
• 2.5.3 离子束中和电流与工作距离对去除函数的影响73
• 2.6 本章小结73-76
• 第3章 离子束抛光非球面去除函数计算76-108
• 3.1 概述76-77
• 3.2 去除函数在非球面上的变化77-86
• 3.2.1 镜面曲率与入射角度影响77-80
• 3.2.2 离子束流浓度变化影响80-83
• 3.2.3 曲面去除函数计算83-84
• 3.2.4 不同离子束抛光系统中去除函数变化84-86
• 3.3 三轴离子束抛光系统曲面去除函数补偿86-97
• 3.3.1 镜面法线方向去除函数87-93
• 3.3.2 实验室坐标系h方向去除函数93-97
• 3.4 离子束抛光算法97-102
• 3.5 加工实验102-105
• 3.6 本章小结105-108
• 第4章 离子束抛光工艺研究108-130
• 4.1 概述108-109
• 4.2 离子束抛光对表面粗糙度的影响109-118
• 4.2.1 离子束流对材料表面的粗糙化效应与光滑化效应109-111
• 4.2.2 影响镜面粗糙度演化的因素与离子束直接光滑效应111-116
• 4.2.3 牺牲层辅助离子束抛光法提升表面质量116-118
• 4.3 离子束抛光对中频误差的抑制118-123
• 4.3.1 中频误差的产生于去除118-119
• 4.3.2 大磨盘与离子束组合抑制中频误差119-120
• 4.3.3 附加材料辅助离子束抛光法抑制中频误差120-123
• 4.4 离子束抛光中的热效应123-127
• 4.4.1 离子束抛光热效应模型123-126
• 4.4.2 离子束抛光热效应控制126-127
• 4.5 本章小结127-130
• 第5章 离子束抛光工程应用130-140
• 5.1 概述130
• 5.2 离子束抛光数据库与去除函数在线优化130-132
• 5.3 离子束抛光工作流程132-134
• 5.4 加工实验134-138
• 5.5 本章小结138-140
• 第6章 结论与展望140-144
• 6.1 总结140-141
• 6.2 论文创新点141
• 6.3 工作展望141-144
• 参考文献144-154
• 在学期间学术成果情况154-156
• 指导教师及作者简介156-158
• 致谢158

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 王永刚;肖正航;王鹏;;光学元件离子束抛光去除特性研究[J];航天制造技术;2013年03期

2 张云飞;吉方;蓝河;朱建平;戴晓静;肖虹;王亚军;陈东生;;离子束抛光热效应研究[J];现代制造工程;2013年09期

3 郭伟远;成贤锴;梁斌;;离子束抛光工艺中驻留时间的综合算法[J];应用光学;2011年05期

4 廖文林;戴一帆;周林;王建敏;袁征;解旭辉;;离子束抛光加工矩形离轴非球面镜[J];国防科技大学学报;2011年01期

5 郭伟远;成贤锴;白华;;离子束抛光工艺中驻留时间的分步消去算法[J];天文研究与技术;2011年04期

6 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 周扬;蔡长龙;严一心;弥谦;梁海锋;;离子束抛光技术研究[A];中国真空学会2006年学术会议论文摘要集[C];2006年

2 吉方;;超精密离子束抛光机床研制[A];中国工程物理研究院科技年报(2012年版)[C];2012年

3 苏志伟;陈庆川;冯春堂;韩大凯;崔茜容;石连天;;K9玻璃的离子束抛光[A];2006全国荷电粒子源、粒子束学术会议论文集[C];2006年

4 陈美艳;沈丽如;;离子束抛光玻璃微观结构分析[A];第十三届全国等离子体科学技术会议论文集[C];2007年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 袁征;KDP晶体离子束抛光理论与工艺研究[D];国防科学技术大学;2013年

2 唐瓦;离子束抛光大口径非球面去除模型与工艺研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2016年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 郭延;离子束抛光KDP光学元件关键技术研究[D];西安工业大学;2014年

2 段沽坪;离子束抛光去除特性研究[D];中国科学院研究生院（光电技术研究所）;2013年

3 王登峰;光学镜面离子束抛光系统工艺参数研究[D];国防科学技术大学;2007年

4 林俊杰;基于神经网络的离子束抛光工艺参数算法研究[D];长春理工大学;2014年

，

本文编号：527410