采用一种仿真优化驻留时间分布和修形工艺的方法。通过在离子源出光口处添加光阑来改变离子束的束形,在MATLAB软件上模拟不同光阑尺寸的离子束并按照不同的叠加间距对其进行修形仿真。仿真过程中,引入修正法来获得驻留时间分布和去除面形残差分布并分析其去除规律,从而确定最佳的光阑尺寸、叠加间距和驻留时间分布。融石英平面的初始面形峰谷值为1079.59 nm,方均根值为304.95 nm,直径为120 mm,在模拟仿真的基础上对其进行修形。经13 h修形后,面形的精度峰谷值提高到95.62 nm,方均根值提高到8.99 nm,面形的方均根值收敛比达到33.92。

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求, 提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段, 首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨, 其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛, 最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工; 在检测阶段, 首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制, 进入干涉仪测量范围后, 再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例, 对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测, 其面形精度RMS为0.015λ(λ=632.8 nm), 几何参数控制精度ΔR误差为0.1 mm、ΔK优于0.1%, 满足光学设计技术指标要求。

针对小特征尺寸连续位相板中频段成分分布广、误差梯度大的面形特点, 分析了离子束修形技术加工连续位相板过程中影响加工精度的几种因素, 包括扫描步距、材料去除方式、定位精度和材料去除量求解。分析指出: 根据采样定理确定去除函数的扫描步距可实现对不同尺寸特征单元的有效加工; 进一步优化材料去除方式能够确保修形过程中驻留时间的平稳运行, 实现全频段误差一致收敛。另外, 采用面形匹配方法对测量误差进行校正实验, 可获取准确的面形材料去除量; 而采用提高去除函数定位精度的方法可显著提升小尺寸特征单元的加工精度。基于研究结果, 在消除各种工艺误差的基础上, 采用离子束修形技术对特征尺寸小至1.5 mm, 面形峰谷值小于200 nm, 面形梯度高至1.8 μm/cm的连续位相板进行了高精度加工, 结果显示: 加工面形与理论面形的匹配精度达到8.1 nm (RMS), 证实了误差分析的准确性。

考虑用CaF2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标, 本文研究了CaF2材料加工工艺的全流程, 以实现CaF2材料的全频段高精度加工。首先, 利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF2元件有较好的面形和表面质量。然后, 优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数, 并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF2元件的高频误差, 逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。 最后, 在不改变CaF2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100 mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明: 其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39 nm, Zernike残差RMS值为0.43 nm, 高频粗糙度均值为0.31 nm, 实现了对CaF2元件的亚纳米精度加工, 为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。

离子束修形技术具有精度高、确定性好等优点，应用越来越广泛。介绍了离子束修形技术的原理和特点，以及国外离子束修形技术的发展历程和现状，并介绍了国内离子束修形技术的发展现状。针对当前离子束修形技术的研究热点，如中高频误差控制技术、驻留时间求解算法和加工工艺等方面，综述了国内外的研究现状。

分析了离子束加工光学镜面的材料去除效率和不同材料之间的相对去除效率与工艺参数的关系。基于Sigmund溅射理论,建立了表征去除效率的指标-法向去除速率、体积去除速率和溅射产额与束能、束流以及入射角度之间的关系模型。以石英、微晶和K4玻璃等为样件,实验分析了去除效率与工艺参数的关系,验证了模型的正确性。分析结果表明,材料去除效率随束流线性增大,与束能平方根约呈线性关系;随着入射角度先缓慢增大,约在60～80°达到最大值,然后迅速降为0。不同材料之间的相对去除效率与束流无关;与束能的关系较弱,可以忽略;随角度变化较为明显。

为了克服传统光学镜面抛光方法的缺点,提出了应用离子束进行光学镜面修形的方法。介绍了离子束修形技术的原理和方法,并对离子束修形中涉及的关键技术进行了讨论。在自研的离子束修形设备上对一块直径98 mm的微晶玻璃平面样件进行了离子束修形试验,经过两次的迭代修形使其面形精度均方根误差由初始的0.136λ提高到0.010λ(λ=632.8 nm),平均每次迭代的面形收敛率达到3.7。实验结果表明,应用离子束进行光学镜面修形无边缘效应、面形收敛快、加工精度高;由于离子束修形技术去除材料过程自身的特点,使数控离子束修形技术对非球面的加工和对平面的加工难度相当。