彭小強(qiáng)，戴一帆，李圣怡

(1.國防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長沙　410073；

2.超精密加工技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙　410073)

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大型光學(xué)表面納米精度制造*

彭小強(qiáng)1,2，戴一帆1,2，李圣怡1,2

(1.國防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長沙410073；

2.超精密加工技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙410073)

摘要：納米精度光學(xué)表面在光刻技術(shù)、同步輻射、空間觀測和慣約聚變等領(lǐng)域有重大需求。隨著裝備性能需求的不斷提升，這些光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)零件面形精度和表面質(zhì)量的要求幾乎接近于物理極限，對(duì)光學(xué)制造技術(shù)提出了更高挑戰(zhàn)，使光學(xué)制造成為納米制造技術(shù)的發(fā)展前沿。通過攻克納米量級(jí)材料去除的穩(wěn)定性、復(fù)雜曲面可控補(bǔ)償和裝備運(yùn)動(dòng)軸性能設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問題，掌握了以磁流變和離子束拋光技術(shù)為代表的可控柔體拋光技術(shù)，利用自主研發(fā)的拋光制造裝備和工藝實(shí)現(xiàn)了典型光學(xué)零件的納米精度制造，為國家相關(guān)科技項(xiàng)目的順利實(shí)施提供有力的制造技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：納米精度制造；光學(xué)制造；可控柔體拋光；磁流變拋光；離子束拋光

現(xiàn)代光學(xué)零件具有大口徑、(亞)納米精度、形狀復(fù)雜、表面低損傷等特點(diǎn)，在空間觀測、微電子制造、慣約聚變、同步輻射等重大光學(xué)工程中有著廣泛應(yīng)用，其制造水平直接影響國家的核心競爭力。光學(xué)零件高端加工技術(shù)和裝備也被美國等西方發(fā)達(dá)國家視為戰(zhàn)略資源，嚴(yán)格限制出口。因此，開展納米精度光學(xué)零件加工技術(shù)研究，對(duì)提升國家核心競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。

光學(xué)表面納米精度加工被譽(yù)為超精密加工技術(shù)皇冠上的明珠，也是公認(rèn)的世界性難題，主要表現(xiàn)為：納米精度要求穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)亞納米量級(jí)的材料去除；復(fù)雜形狀引起材料去除率的變化，要求實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)償；全頻段誤差和加工缺陷影響光學(xué)性能，要求實(shí)現(xiàn)一致收斂和去除。由于長期以來光學(xué)加工采用基于經(jīng)驗(yàn)的加工方法，具有很強(qiáng)的不確定性，難以解決現(xiàn)代光學(xué)零件加工的瓶頸[2]。

基于磁流變、離子束等拋光技術(shù)的光學(xué)零件可控柔體拋光技術(shù)，以提高光學(xué)加工的可控性為目標(biāo)，采用可適應(yīng)面形變化的柔性介質(zhì)作為拋光工具，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件的高精度、高效率和低損傷加工，為納米精度光學(xué)表面制造提供技術(shù)支持[3]。

1光學(xué)制造面臨的挑戰(zhàn)

隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

1.1　光刻物鏡制造挑戰(zhàn)

光刻技術(shù)于20世紀(jì)90年代初期進(jìn)入亞微米時(shí)代，1986年光刻分辨率是1μm，到1996年光刻分辨率達(dá)到0.35μm，2000年光刻分辨率已是0.18μm，目前光刻分辨率已達(dá)到45nm，并已經(jīng)延伸到32nm以下。相應(yīng)的光刻機(jī)的曝光波長已經(jīng)從436nm(g線)，365nm(i線)，248nm(KrF)減小到目前193nm(ArF)，下一代極紫外光刻(Extreme-Ultraviolet Lithography，EUVL)的曝光波長將會(huì)是13.5nm。為了提高光刻分辨率，除了曝光波長減小，光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑NA也在相應(yīng)增加[4]。

從光學(xué)制造的角度看，曝光波長的減小和數(shù)值孔徑的增加都會(huì)極大地提高光學(xué)制造難度。當(dāng)NA>0.6以后，NA每增加0.05，設(shè)計(jì)和加工的難度就會(huì)增加許多。波長為13.5nm的極紫外反射式投影光刻系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿足系統(tǒng)波面誤差≤λ/14 (RMS)，即1nm，分配到單個(gè)元件的精度要求將達(dá)到0.2nm，而且是高、中、低頻全頻段誤差都要達(dá)到這一水平[5-7]。

可以看出，光刻物鏡制造是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，牽涉到光學(xué)設(shè)計(jì)、材料生長、檢測、鍍膜、裝調(diào)、加工等一系列環(huán)節(jié)。從加工角度看，為了實(shí)現(xiàn)如此高的加工精度，表面材料去除分辨率必須達(dá)到原子分子水平，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入納米制造范疇，達(dá)到自上而下加工原理的極限，對(duì)光學(xué)制造提出了超高精度光學(xué)零件制造挑戰(zhàn)。

1.2　空間光學(xué)制造挑戰(zhàn)

空間光學(xué)零件一般是指空、天環(huán)境下的機(jī)載和星載平面、球面和非球面光學(xué)零件，其在對(duì)地觀測、天文和深空探測、天基監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。由于受運(yùn)載、安裝和使用條件的限制，具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)。

1)大口徑和大相對(duì)口徑。增大有效口徑是提高光學(xué)系統(tǒng)分辨能力的基本途徑，以空間相機(jī)為例，為了獲得對(duì)地觀測高分辨率，空間相機(jī)主鏡的大口徑一般為1～2m，超大口徑為2～4m以上[8]。增大相對(duì)口徑可以提高成像的銳度和照度，改善成像質(zhì)量，并縮短光學(xué)系統(tǒng)的軸向距離，使光學(xué)系統(tǒng)更加緊湊，如現(xiàn)代大型反射式望遠(yuǎn)鏡主鏡的相對(duì)口徑一般為1 ∶1.5～1 ∶1，大于馬克蘇托夫定義的傳統(tǒng)加工方法相對(duì)口徑為1 ∶2的理論極限[1]。

2)輕量化。對(duì)于大口徑空間光學(xué)零件，為了減輕發(fā)射負(fù)載，必須在保持鏡面足夠的剛度和穩(wěn)定性情況下進(jìn)行鏡面輕量化。目前，空間望遠(yuǎn)鏡主鏡的面密度，從哈勃望遠(yuǎn)鏡時(shí)代180kg/m2減小到20kg/m2左右，滿足下一代空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射要求[9]。為了滿足此要求，SiC等空間光學(xué)功能結(jié)構(gòu)材料在空間光學(xué)零件中大量應(yīng)用，這些材料硬度高、脆性大，其加工往往是一個(gè)材料制備與加工工藝相互穿插、相互迭代的過程，其可制造性也是亟待解決的基礎(chǔ)性難題。

3)復(fù)雜面形和納米精度。非球面光學(xué)零件由于具有設(shè)計(jì)自由度高、成像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在空間光學(xué)系統(tǒng)中被廣泛采用；基于離軸非球面的大視場角三反消像差光學(xué)系統(tǒng)、折疊拼接式特大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在空間光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多；自適應(yīng)主動(dòng)調(diào)整鏡以及失重時(shí)自補(bǔ)償鏡具有特殊非對(duì)稱，甚至自由曲面特征。在光學(xué)面形精度方面，為了滿足光學(xué)系統(tǒng)衍射極限的成像要求，其反射鏡的制造精度并沒有因?yàn)榭趶降脑黾佣档?，如?duì)于2m口徑的大鏡，其面形精度同樣需要優(yōu)于λ/50 RMS(約12.6nm)，尺度精度比(2m/12.6nm)將大于108。

4)高效率加工需求。現(xiàn)代空間光學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)空間光學(xué)零件提出了巨大需求，美國發(fā)射的單孔徑遠(yuǎn)紅外太空觀測器，其對(duì)光學(xué)制造能力的要求比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡高24倍[10]。加工效率已經(jīng)成為空間光學(xué)零件應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，必須尋找新的技術(shù)路線，并使加工過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

以上空間光學(xué)特征代表大口徑光學(xué)零件制造挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)工藝已經(jīng)不可能加工出這種鏡面，制造技術(shù)和裝備必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。

1.3　強(qiáng)光光學(xué)制造挑戰(zhàn)

強(qiáng)光光學(xué)零件主要是指應(yīng)用于高功率或高能量激光裝置等強(qiáng)光光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)零件。最典型的強(qiáng)光光學(xué)系統(tǒng)是國家點(diǎn)火裝置(National Ignition Facility，NIF)，法國的兆焦耳激光裝置(Laser Megajoule，LMJ)等慣性約束聚變系統(tǒng)[11]。

此類光學(xué)系統(tǒng)所需的光學(xué)零件數(shù)量大、種類多，表面/亞表面質(zhì)量要求高。以NIF為例，其主激光系統(tǒng)包括192束獨(dú)立的激光驅(qū)動(dòng)器，整個(gè)光學(xué)裝置將使用7360片口徑超過400mm×400mm的大口徑光學(xué)零件，此外，前端激光系統(tǒng)還需要5000～10 000件小口徑光學(xué)元件。其材料包括BK7玻璃、熔石英玻璃、釹玻璃和KDP晶體等多種類[1,12]。

不同于其他成像光學(xué)系統(tǒng)，在高功率激光系統(tǒng)中，對(duì)光學(xué)零件除了有幾何精度要求，由于高功率激光輻照產(chǎn)生的光學(xué)元件損傷失效，使得抗激光損傷指標(biāo)成為首要目標(biāo)，對(duì)光學(xué)制造技術(shù)也提出了新挑戰(zhàn)。NIF需要高功率激光束輸出1.8MJ總能量和500TW總功率，來實(shí)現(xiàn)聚變，因此光學(xué)元件在使用中要經(jīng)受高功率激光的輻照，但是由于光學(xué)元件加工缺陷誘導(dǎo)激光損傷問題，單束激光束無法達(dá)到所需功率密度，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)正常通量激光能量，使NIF系統(tǒng)一直未能實(shí)現(xiàn)理想聚變狀態(tài)。2010年美國政府對(duì)NIF建設(shè)情況經(jīng)過獨(dú)立調(diào)查，認(rèn)為光學(xué)元件加工缺陷誘導(dǎo)的激光損傷問題是NIF實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火面臨的三大主要科學(xué)技術(shù)瓶頸之一[13]。

因此，強(qiáng)光光學(xué)零件提出了低損傷加工挑戰(zhàn)，必須創(chuàng)新加工工藝，形成自主光學(xué)元件加工新工藝，提升其激光損傷閾值。

1.4　光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展過程

隨著光學(xué)制造挑戰(zhàn)的提出，光學(xué)制造技術(shù)也必須發(fā)展以迎接該挑戰(zhàn)，滿足光學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求。

長期以來光學(xué)制造采用的是傳統(tǒng)光學(xué)加工技術(shù)，其主要依靠手工或簡單機(jī)械進(jìn)行平面與球面加工。加工非球面時(shí)，從最接近于該非球面的球面出發(fā)，利用刻畫出不同形狀的研拋膜，依靠人工經(jīng)驗(yàn)，逐步修整逼近成非球面。傳統(tǒng)加工方法很難建立材料去除數(shù)學(xué)模型，是一種非確定性研拋技術(shù)，無論效率還是精度都受到很大限制。

隨著數(shù)控技術(shù)的成熟，20世紀(jì)70年代發(fā)展起來了計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形(Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS)技術(shù)或稱數(shù)控小工具拋光技術(shù)，并逐漸取代了傳統(tǒng)拋光技術(shù)，成為非球面加工的主要技術(shù)。該技術(shù)基于Preston方程，采用小磨頭拋光，通過控制駐留時(shí)間來控制面形精度，是一種確定性光學(xué)制造方法。使傳統(tǒng)的非確定性研拋技術(shù)進(jìn)入了確定性數(shù)控研拋技術(shù)時(shí)代。然而，數(shù)控小工具拋光技術(shù)采用剛性研拋盤，并在研磨盤上貼有聚氨脂、瀝青、拋光布等各類研拋膜進(jìn)行研拋加工。在加工非球面時(shí)還會(huì)有一些局限性：首先，剛性研拋盤無法適應(yīng)非球面零件表面曲率變化，因此須采用比光學(xué)元件口徑小得多的研拋盤，曲率不匹配也加劇了研拋模磨損，影響去除函數(shù)的長期穩(wěn)定性，限制加工精度與加工效率的提升；其次，數(shù)控小工具拋光的材料去除原理為壓力模式下材料斷裂去除，因此，拋光盤會(huì)在光學(xué)零件表面施加較大的正壓力，易在光學(xué)零件表面產(chǎn)生加工損傷，在加工輕量化鏡面時(shí)，還會(huì)引起鏡面的鬼影誤差，如圖1所示。

圖1　鏡面加工的鬼影誤差Fig.1　Ghost error of mirror

為了突破這些技術(shù)局限，20世紀(jì)末期，以磁流變拋光、離子束拋光、應(yīng)力盤拋光和氣囊進(jìn)動(dòng)拋光技術(shù)為代表的修形拋光技術(shù)發(fā)展成熟，逐漸成為光學(xué)制造主流技術(shù)。與使用剛性研拋工具的研拋技術(shù)比較，這些研拋工具的“柔度”可以通過計(jì)算機(jī)的控制而改變，采用新的材料去除機(jī)理，從而強(qiáng)化了非球面曲率變化的適應(yīng)能力并達(dá)到保持去除函數(shù)的長期穩(wěn)定性的目標(biāo)，甚至可以方便地改變工具的“柔度”以適應(yīng)不同需求的研拋過程。這類研拋技術(shù)稱為可控柔體(Controllable Compliant Tools，CCT)光學(xué)制造技術(shù)[3]。基于可控柔體光學(xué)制造技術(shù)，解決其中的納米尺度材料去除、補(bǔ)償加工技術(shù)和低損傷加工技術(shù)等關(guān)鍵問題，就可以滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)制造技術(shù)提出的新需求，解決光刻物鏡、空間光學(xué)和強(qiáng)光光學(xué)制造難題。

2光學(xué)表面納米精度制造關(guān)鍵技術(shù)

2.1　納米量級(jí)材料去除的穩(wěn)定可控技術(shù)

對(duì)于大口徑光學(xué)零件，加工時(shí)應(yīng)用具有原子分子可控去除的方法才能實(shí)現(xiàn)納米甚至亞納米的精度。然而，采用原子力顯微鏡單原子搬遷等加工方法在大口徑光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)納米精度制造顯然在效率上將是無法滿足的[4]。從制造的角度看，材料去除方法既要有原子分子量級(jí)的可控分辨率，以實(shí)現(xiàn)高的加工精度，又要有高的去除效率，才能實(shí)現(xiàn)制造目標(biāo)。因此，磁流變和離子束拋光過程中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的納米/亞納米材料可控去除，是實(shí)現(xiàn)納米精度制造的前提。

磁流變拋光是應(yīng)用磁流變拋光液對(duì)工件表面的剪切作用產(chǎn)生材料去除，一般基于Bingham流體動(dòng)壓模型，進(jìn)行拋光區(qū)壓力場、剪切應(yīng)力場和速度場分析，進(jìn)而建立磁流變拋光材料去除模型，在理論上建立磁流變拋光參數(shù)與材料去除效率的關(guān)聯(lián)[14]。

為了掌握離子束加工的材料去除機(jī)理，一般以Sigmund濺射理論為基礎(chǔ)，研究濺射過程的能量耗散行為，建立典型光學(xué)材料原子克服綁定能而實(shí)現(xiàn)遷移的數(shù)學(xué)模型[15]，如式(1)所示。

(1)

其中：r= (X,Y,Z)表示能量沉積點(diǎn)在以離子能量沉積平均深度點(diǎn)P為原點(diǎn)的局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，該坐標(biāo)系的Z軸平行于離子入射軌跡；ε為入射離子在固體中沉積的總能量；σ和μ分別為沉積能量在平行于入射方向和垂直于入射方向上的高斯分布參數(shù)。

通過以上模型，可以求解出離子束垂直入射時(shí)的濺射產(chǎn)額，從而建立離子束材料去除數(shù)學(xué)模型。

以此為基礎(chǔ)，考慮典型光學(xué)材料和相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)加工過程的影響，應(yīng)用加工設(shè)備和波面干涉儀、白光干涉儀、掃描電鏡等檢測設(shè)備，觀測分析實(shí)際材料去除結(jié)果并驗(yàn)證理論模型，分析影響可控特征尺度的關(guān)鍵工藝因素，建立精確參數(shù)控制系統(tǒng)，研究影響去除特性的相關(guān)參數(shù)的控制特性，最終實(shí)現(xiàn)具有納米/亞納米量級(jí)分辨率的材料遷移可控加工。

2.2　復(fù)雜曲面可控補(bǔ)償修形技術(shù)

光學(xué)表面計(jì)算機(jī)控制修形原理指出材料去除量E(x,y)為拋光工具的去除函數(shù)R(x,y)與駐留時(shí)間T(x,y)的二維卷積如式(2)所示。

E(x,y)=R(x,y)*T(x,y)

(2)

在實(shí)際應(yīng)用過程中，去除函數(shù)應(yīng)具有時(shí)空不變性，去除量函數(shù)只有能夠真實(shí)反映面形誤差，才能準(zhǔn)確求解加工駐留時(shí)間。但是，光學(xué)零件在從平面制造向曲面制造延伸的過程中，由于表面幾何形狀和加工處理工藝的約束，曲面面形函數(shù)和拋光過程中的去除函數(shù)在二維卷積方程中將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的非線性變化，將難以滿足納米/亞納米面形精度制造的要求，需要在加工算法中補(bǔ)償解決。

一般來說，造成去除函數(shù)非線性變化的原因主要有去除函數(shù)R(x,y,z)在卷積中的表示R(x,y)存在投影畸變、邊緣效應(yīng)等。因此，需要研究磁流變、離子束拋光中曲面參數(shù)對(duì)去除函數(shù)的影響規(guī)律，已建立去除函數(shù)動(dòng)態(tài)去除模型。

在離子束加工中，根據(jù)其束流密度空間分布模型，可以分析得到靶距、入射角和加工曲面參數(shù)的非線性效應(yīng)，如圖2[16]所示。

圖2　去除函數(shù)隨靶距、入射角的變化曲線Fig.2　Curve of removal function changed along with range and incidence angle

對(duì)于磁流變拋光，由于磁流變液的截流狀態(tài)與在工件內(nèi)部時(shí)明顯不同，產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，可通過實(shí)驗(yàn)方法建立理想去除函數(shù)和實(shí)際去除函數(shù)的變化規(guī)律，如圖3所示[17]。

圖3　去除函數(shù)邊緣效應(yīng)誤差Fig.3　Edge effect error of removal function

基于以上非線性規(guī)律分析，可以建立可控柔體拋光中不同參數(shù)和工件幾何形狀下的去除函數(shù)理論模型，由此生成動(dòng)態(tài)去除函數(shù)的數(shù)據(jù)庫，替代式(2)中的恒定去除函數(shù)，構(gòu)造能夠真實(shí)反映加工過程的材料去除量模型，提升駐留時(shí)間的計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面可控補(bǔ)償修形。

2.3　可控柔體光學(xué)制造裝備運(yùn)動(dòng)軸性能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)械加工機(jī)床主要通過誤差復(fù)映原理而影響機(jī)械零件加工精度的。由于可控柔體光學(xué)制造的光學(xué)表面修形中，光學(xué)表面的精度不是由誤差復(fù)映原理決定的，因此，其裝備設(shè)計(jì)原則與傳統(tǒng)機(jī)械加工機(jī)床不完全一樣。

如對(duì)于磁流變拋光裝備綜合幾何精度性能影響規(guī)律，拋光點(diǎn)的切向定位誤差將影響誤差高點(diǎn)定位程度，法向定位誤差將影響去除函數(shù)穩(wěn)定性，從而影響光學(xué)表面修形精度[18]。切向誤差對(duì)加工精度的影響，如式(3)[15]所示。

e(x,y)=grad(r)·ΔT

(3)

即切向定位偏差引入的加工殘差e(x,y)等于面形梯度矢量ΔT與切向定位偏差矢量grad(r)的內(nèi)積。

拋光點(diǎn)的法向定位誤差將影響磁流變拋光液的壓入深度，從而影響磁流變拋光去除函數(shù)穩(wěn)定性，其對(duì)去除函數(shù)穩(wěn)定性的影響規(guī)律可以通過去除函數(shù)模型或?qū)嶒?yàn)獲得[7]。

磁流變拋光裝備綜合動(dòng)態(tài)性能通過影響駐留時(shí)間的實(shí)現(xiàn)精度而影響光學(xué)表面修形精度。光學(xué)計(jì)算機(jī)控制修形是通過控制拋光輪過駐留點(diǎn)的速度實(shí)現(xiàn)駐留時(shí)間控制從而實(shí)現(xiàn)修形的，如圖4所示。在相鄰兩個(gè)駐留點(diǎn)之間的速度變化需要拋光裝備通過加減速有效實(shí)現(xiàn)，如果拋光裝備綜合動(dòng)態(tài)性能無法使拋光裝備在駐留點(diǎn)距離內(nèi)加減速至目標(biāo)速度，即拋光輪在相鄰駐留點(diǎn)之間不能完成理論加減速過程，就會(huì)產(chǎn)生駐留時(shí)間實(shí)現(xiàn)誤差，從而影響光學(xué)修形精度。通過基于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的駐留時(shí)間求解，可以計(jì)算拋光裝備綜合動(dòng)態(tài)性能對(duì)光學(xué)修形精度的影響規(guī)律[14]。

圖4　駐留點(diǎn)之間的加減速過程示意圖Fig.4　Process of acceleration and deceleration between reside points

分析拋光裝備綜合幾何精度、動(dòng)態(tài)性能對(duì)光學(xué)修行影響規(guī)律，通過多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，分析該裝備零級(jí)運(yùn)動(dòng)、一級(jí)運(yùn)動(dòng)和二級(jí)運(yùn)動(dòng)方程，從而獲得拋光裝備各運(yùn)動(dòng)軸幾何精度和速度、加速度等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，完成拋光裝備運(yùn)動(dòng)軸性能設(shè)計(jì)。

通過解決以上關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)驗(yàn)室研制出系列磁流變、離子束拋光裝備，如圖5所示，并基于該裝備，研究了超高精度光學(xué)零件、空間光學(xué)零件和強(qiáng)光光學(xué)零件加工工藝，加工出了各類滿足使用要求的光學(xué)零件。

圖5　自研的磁流變和離子束拋光裝備Fig.5　MRF and IBF equipments

3光學(xué)表面納米精度制造面臨的主要問題

通過可控柔體光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展， 光學(xué)制造技術(shù)進(jìn)入確定可控加工新時(shí)代，我國當(dāng)前在這些方面也有了長足的進(jìn)步，但依然存在光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，主要有以下幾個(gè)方面。

3.1　光學(xué)制造加工效率瓶頸

目前，光學(xué)零件材料主要采用玻璃、陶瓷等硬脆材料，加工工藝主要采用磨削、研磨和拋光等基本方法，加工流程長，中間還要穿插面形檢測、輔助裝夾等工藝。因此，雖然采用了數(shù)控化加工技術(shù)，光學(xué)制造效率仍亟待提高?？梢酝ㄟ^以下方法提高光學(xué)制造效率：

1)提升光學(xué)制造智能化水平，減少裝夾對(duì)刀等輔助時(shí)間。比如磁流變拋光光學(xué)零件前，需要花大量時(shí)間對(duì)光學(xué)零件進(jìn)行打表定位，以確定光學(xué)零件在磁流變拋光機(jī)床坐標(biāo)系中的位置，但是采用基于五方向測頭的自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)，如圖6所示，就能實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件智能化自動(dòng)定位，大大節(jié)省輔助裝夾時(shí)間，提升效率。

圖6　拋光自動(dòng)定位系統(tǒng)Fig.6　Polishing automatic positioning system

2)研發(fā)高效率高精度加工新工藝。如美國Optimax Systems公司研發(fā)的基于超聲振動(dòng)VIBETM拋光工藝[19]，可以大大提升光學(xué)零件預(yù)拋效率；等離子拋光技術(shù)[20]可以對(duì)磨削后光學(xué)表面實(shí)現(xiàn)磨削層低損傷去除，同樣可以提升加工效率；光學(xué)零件的超精密切削加工，如圖7所示，由于加工工序少，成形快，加工效率優(yōu)于磨、研和拋工藝方法，目前在紅外光學(xué)零件加工中開始應(yīng)用，如能解決材料適用性、加工精度等問題，將能獲得更廣泛應(yīng)用，提升光學(xué)零件制造效率。

圖7　光學(xué)零件切削加工Fig.7　Optical parts machining

3.2　復(fù)雜曲面面形檢測技術(shù)瓶頸

超精密面形檢測在光學(xué)制造中作為一種有效的反饋與評(píng)價(jià)手段，是保證光學(xué)零件制造質(zhì)量的基礎(chǔ)。但是隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)大型光學(xué)零件質(zhì)量要求的不斷提升，光學(xué)零件面形越來越復(fù)雜，評(píng)價(jià)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵也不斷豐富，全口徑、全波段面形誤差的檢測成為復(fù)雜面形光學(xué)零件制造的主要瓶頸。例如對(duì)于自由曲面面形檢測，仍未見完善的超精密面形檢測系統(tǒng)方法，光學(xué)波面干涉檢測方法受到補(bǔ)償能力和視場范圍的限制，不適于大斜率梯度面形的測量；接觸式2D輪廓儀測量會(huì)損傷測量面，且測量速度較慢，無法快速獲取三維面形數(shù)據(jù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者也發(fā)展了新型測量技術(shù)以應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)。計(jì)算全息法(Computer-Generated Holograms，CGH)是近年來發(fā)展起來的高精度的復(fù)雜曲面面形檢測方法，其利用CGH生成理想的非球面波前和實(shí)際的非球面檢測波前相干涉來實(shí)現(xiàn)非球面面形的高精度檢測，但是CGH補(bǔ)償器制作是CGH推廣應(yīng)用的主要瓶頸。3D超精密輪廓儀可以有效解決中小口徑復(fù)雜曲面面形檢測難題，該技術(shù)采用超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)曲面進(jìn)行掃描重構(gòu)，獲得三維面形輪廓數(shù)據(jù)。比較成熟的有荷蘭IBS公司ISARA 400系統(tǒng)[21]、荷蘭埃因霍恩理工大學(xué)的NANOMEFOS系統(tǒng)[22]、英國Taylor Hobson公司的LUPHOScan系統(tǒng)，這些測量系統(tǒng)測量口徑為400mm～500mm，測量精度可優(yōu)于100nm，但是這些系統(tǒng)價(jià)格昂貴，國內(nèi)還未見開發(fā)類似系統(tǒng)的報(bào)道。

3.3　光學(xué)表面無損制造瓶頸

光學(xué)加工目前主要使用的是材料去除法，包括磨削、研磨、拋光或切削等基本方法。這些加工方法不但會(huì)在光學(xué)表面帶來機(jī)械破碎缺陷、殘余應(yīng)力等表面完整性問題，還會(huì)帶來污染雜質(zhì)等加工缺陷[23]。由于這些加工缺陷的存在，光學(xué)元件在受到高能激光輻照時(shí)，由于激光作用使元件局部或整體的幾何結(jié)構(gòu)、元件材料的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本性、不可恢復(fù)的變化，從而降低元件透過率和光束質(zhì)量，產(chǎn)生波前畸變，影響焦斑質(zhì)量，調(diào)制光強(qiáng)分布而產(chǎn)生光場強(qiáng)區(qū)，并使得下游元件產(chǎn)生新的損傷[24]。更為嚴(yán)重的是，該激光損傷是一個(gè)“自加速”的過程，初始損傷一旦產(chǎn)生，損傷尺寸會(huì)隨著后續(xù)激光發(fā)射次數(shù)呈指數(shù)增長，從而將大大降低光學(xué)元件的激光能量負(fù)載能力，成為限制系統(tǒng)激光能量輸出能力的主要因素[25]。因此，光學(xué)制造特別是針對(duì)高抗激光損傷的光學(xué)元件制造，除了要滿足幾何精度目標(biāo)，還需滿足加工缺陷控制目標(biāo)。光學(xué)加工過程中有何種加工缺陷產(chǎn)生？加工缺陷誘導(dǎo)激光損傷的規(guī)律是什么？加工缺陷如何檢測與表征？如何優(yōu)化或創(chuàng)新加工工藝實(shí)現(xiàn)加工缺陷抑制？這些都是光學(xué)表面無損制造亟待解決的問題。

4結(jié)論

現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用對(duì)光學(xué)零件制造提出了更高的要求，如(亞)納米精度、大尺度精度比、低損傷表面和復(fù)雜曲面制造等，這些要求對(duì)光學(xué)制造提出了更多的挑戰(zhàn)。以磁流變、離子束拋光技術(shù)為代表的光學(xué)零件可控柔體制造技術(shù)是解決這些光學(xué)制造難題的有效制造方法。未來光學(xué)制造技術(shù)需要繼續(xù)解決提高制造效率、復(fù)雜曲面檢測和無損表面加工等光學(xué)制造目前面臨的主要技術(shù)難題，以滿足光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)制造提出的進(jìn)一步需求，支撐光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

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http://journal.nudt.edu.cn

Nanometer precision fabrication for large scale optical surfaces

PENGXiaoqiang1,2,DAIYifan1,2,LIShengyi1,2

(1. College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;

2. Hunan Key Laboratory of Ultra-precision Machining Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：Nano-precision optical surfaces are highly demanded in fields of lithography, synchrotron radiation, space observation and inertial confinement fusion. With the performance rising of equipment, the surface accuracy and roughness of optical elements are further strictly required, which is approaching the theoretical physical limitation. The rising demands bring about tougher challenges for optical fabrication, and push the technology to the frontier in the nano-precision fabrication area as well. Magnetorheological polishing and ion beam were figured in this research: the stability of material removal rate in nano-level, controllable compensation of complex asphere and dynamics design of equipment axes. The self-developed innovation polishing equipment was produced and the nano-precision fabrication of typical optical elements was realized, which provides strong support for relative science programs of our country, in terms of fabrication technology.

Key words：nanometer precision fabrication; optical fabrication; controllable compliant tools polishing; magnetorheological finishing; ion beam figuring

中圖分類號(hào)：TH161

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2015)06-001-07

作者簡介：彭小強(qiáng)(1977—)，男，江西寧都人，研究員，博士，E-mail：pxq2000@vip.sina.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275521)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-12-0144)

收稿日期：*2015-06-01

doi:10.11887/j.cn.201506001