利用离子束修形,离子束抛光技术对光学镜片进行精密加工

对于光学镜片元件的制造来说，离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技术已经逐渐取代机械抛光方法。离子束抛光与传统的机械抛光方法来说，离子束IBF光学镜片加工的主要优点之一是离子束在光学镜片加工上的非接触性，没有传统机械工具的接触导致的损伤后果。离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技术，也叫离子束成型技术，其对于在IBF光学镜片加工的研磨镜片上，特别在离子束非球面加工，具有较好的稳定性和精确性，避免了对透镜材料的机械性导致的亚表面损伤。对于离子束修形相关的物理过程叫做"溅射"，离子溅射可以应用于任何材料，对于加工较硬的材料（如Si或SiC）和抛光高分子材料（如MgF₂、CaF₂、Si或WC）时，溅射过程的离子束抛光也可以取得比较好的加工效果。另外，离子束可以与低至0.5毫米的微加工工具一起使用，以达到传统机械技术可能无法达到的微小性的抛光误差。

离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）的过程是基于微观尺度上的粒子碰撞，即产生"级联碰撞"的结果，通过优化其工艺流程（能量、方向），可对级联碰撞粒子的运动进行一定程度的控制。在离子束修形IBF过程中（如图1），一束聚焦的离子束在样品表面上进行光栅扫描。为了消除表面误差，计算出一个停留时间矩阵，其中考虑到了离子束成型中的静电去除轮廓和整体测量的表面误差，矩阵被进一步转换为一个由多轴系统组成对应的复杂定位系统的局部速度图。

图1 离子束计算概念图

关于离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）在光学制造行业的应用上，近期，Asphericon和Hohenstein在《Optik & Photonik》期刊上Volume7, Issue2 May 2012 Pages 56-58的文章中发表了德国Hohenstein-Ernstthal的MicroSystems公司开发了"IonScan 3D"的离子束成型系统（图2）。在与德国Asphericon GmbH公司的合作下，离子束修形IBF的技术已经引入到定制光学元件的生产中，特别是Asphericon非球面元件的定制生产中。IonScan 3D系统集成了一套工艺数据和软件工具，当工艺数据被运行，就能自动完成离子束非球面加工流程。在IBF光学镜片加工中，离子束源的蚀刻轮廓是通过发射系统的多孔几何形状网格来定义的。对于聚焦激光的刻蚀，可以调整其半峰全宽（full width at half maxima，FWHM）值，范围从0.5毫米到10毫米，刻蚀率需要针对每种材料进行校准。

图2 MicroSystems公司的IonScan 3D离子束成像系统

尽管普通球面透镜的加工并不是主要采取离子束成型技术加工，如果使用离子束修形技术对球面透镜进行IBF光学镜片加工会很容易纠正其离子束抛光中表面的残余误差。通常情况下，离子束抛光误差在峰谷比值（Peak-to-Valley，Pv）和表面粗糙度均方跟值（Root-Mean-Square，RMS）方面上得到10-20倍的改善。在晶圆级的薄膜厚度校正的类似过程中，最终的加工质量很容易达到0.1nm的RMS值。图3中显示的是Asphericon在一个微小弧形非球面上实现的加工结果，在离子束非球面加工上有较好的校正效果。由于离子束修形IBF技术是无接触过程和焦点深度较大（约0.5毫米），所以离子束成型的成像效果对轮廓的特征不敏感。

图3 非球面透镜的校正结果（左：校正前，右：校正后）

图4中展示了Asphericon通过IonS-can 3D处理硅晶体材料的效果，其抛光误差是在长波长方面，使用了2毫米的工具尺寸便实现了相当好的性能。其表面粗糙度均方根RMS值提高了近20倍！而且在这个过程中，与晶体取向有关的影响明显得到了改善。在校正前的干涉测量中，由于透镜在机械加工的结果中，其中心会出现了与晶体取向有关的抛光误差，而离子束非球面加工对晶体取向相关的影响并不重要，因此在离子束抛光的加工过程中，其中心误差被完全消除。

图4 硅非球面的校正结果（左：校正前，右：校正后）

由于离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技术的无接触加工的特点，所以IBF光学镜片加工在处理透镜表面的凹面时不会面临加工成型的问题。这一特点，对与透镜最终的光学表面质量产生较大的影响。另外，离子束修形IBF在性能表现和加工结果上，对于处理加工金属表面和普通光学材料上一样比较有优势。