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离子束加工技术研究

作　者: 武建芬
导　师: 卢振武
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学
关键词: 光学制造驻留时间矩阵方程最小二乘正交分解算法离子束加工
分类号: TG664
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高精度光学系统的发展对光学元件面形的精度提出了越来越高的要求。目前,广泛应用的光学元件的接触加工方式,由于磨头磨损,边缘效应,工件负载压力等一系列问题很难获得面型精度为纳米和亚纳米级别的光学面形。作为一种非接触的光学元件加工方法,离子束加工技术避免了接触加工方式中所遇到的一系列难题,因此近年来受到了人们越来越多的关注。其基本原理是由计算机控制的5轴精确定位系统控制离子束在待加工光学元件表面的运动轨迹和驻留时间,在离子束相对于待加工光学元件运动过程中,惰性离子束和光学元件表面的原子发生物理溅射作用,使部分光学材料从光学元件表面移除。按照合理的加工路径和优化计算的驻留时间函数,期望的面形可以被加工出来。期望的面形材料去除量可表示为离子束单位时间材料去除函数和驻留时间函数的卷积。本论文的主要工作如下:(1).为了实现光学元件的高精度加工,对离子束加工过程中关键的驻留时间求解算法进行了研究,分析了离子束加工过程的基本原理,将传统的驻留时间反卷积求解过程转化为求解矩阵方程过程。在将阻尼权重因子引入矩阵方程的基础上,又引入均匀额外加工余量,增加了解的自由度。通过引入路径权重因子和面形误差权重因子把加工扫描路径和初始面形误差的影响也考虑到驻留时间的计算中。最后将Gerchberg带限外插算法应用于初始误差面形的优化延拓中,得到很好的主流时间解,保证了全孔径范围内面形精度一致。(2).分析了离子束加工过程中出现的离子源定位误差,指出离子源五个自由度上的定位误差对最终光学元件加工后的面形精度的影响可归结为一个系数因子的控制上,并提出了综合考虑离子束材料去除函数和定位误差的方法来控制系数因子以降低对定位系统精度的苛刻要求。(3).建立了离子束迭代加工可控模型,计算表明阻尼权重因子W和离子束直径d是离子束迭代加工过程中的两个重要控制参数,从较快面形收敛速度,较小额外加工余量和较短加工时间角度出发,提出了每次迭代加工过程中,合理选择阻尼权重因子W和离子束直径d的原则。(4).为了减少长时间离子束加工过程中,产生热能对光学元件热变形的不利影响,我们提出了优化规划离子束加工扫描路径的方法,通过将遗传算法引入路径规划,我们将离子束加工过程中的加工时间减少了近一半,代价只是稍微地降低了一下最终的面形精度。这种方法在实际离子束加工过程中对加工时间的控制是有很大帮助的。(5).通过实验我们研究了光学元件表面粗糙度和离子束入射角度之间的关系,提出一种新的改善离子束垂直入射导致光学元件表面粗糙度恶化的方法,并实验验证。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-24
  1.1 离子束加工技术的研究背景  12-13
  1.2 光学元件加工技术概况  13-15
  1.3 离子束加工技术发展及现状  15-21
  1.4 本论文内容和结构  21-24
第2章离子束加工驻留时间的求解方法  24-50
  2.1 驻留时间矩阵方程模型的建立  25-29
    2.1.1 离子束加工过程分析  25-27
    2.1.2 离子束单位时间材料去除量函数  27-28
    2.1.3 期望材料去除量函数  28
    2.1.4 矩阵方程模型  28-29
  2.2 驻留时间矩阵方程的优化求解  29-33
  2.3 初始误差面形的优化延拓  33-36
    2.3.1 初始误差面形讨论  33-34
    2.3.2 Gerchberg 带限外插算法  34-36
  2.4 仿真验证  36-49
  2.5 本章小结  49-50
第3章离子束加工定位误差分析  50-62
  3.1 模型的建立  50-54
    3.1.1 系统结构分析  50-51
    3.1.2 离子源运动子模型  51-53
    3.1.3 仿真加工模型  53-54
  3.2 定位误差分析  54-57
    3.2.1 误差模型  54-55
    3.2.2 定位误差对最终面形精度的影响  55-57
  3.3 仿真验证  57-61
  3.4 本章小结  61-62
第4章离子束迭代加工分析  62-74
  4.1 概述  62-63
  4.2 迭代加工方法和原则  63-64
  4.3 仿真加工  64-72
  4.4 本章小结  72-74
第5章离子束扫描加工路径优化  74-86
  5.1 概述  74
  5.2 遗传算法概述  74-77
    5.2.1 遗传算法基本原理  74-75
    5.2.2 遗传算法的基本步骤  75-77
  5.3 遗传算法路径优化  77-79
  5.4 仿真实例  79-85
  5.5 本章小结  85-86
第6章离子束加工工艺实验  86-106
  6.1 概述  86
  6.2 离子束刻蚀粗糙度实验  86-104
    6.2.1 实验设备  86-89
    6.2.2 实验过程  89-104
  6.3 实验结果及分析  104-106
第7章总结与展望  106-108
  7.1 本论文完成内容  106-107
  7.2 论文主要创新点  107
  7.3 展望  107-108
参考文献  108-118
在学期间学术成果情况  118-119
指导教师及作者简介  119-120
致谢  120

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