本發(fā)明涉及光學(xué)加工，具體為基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、中高頻誤差問題：傳統(tǒng)機(jī)械拋光、磁流變拋光等方法在加工非球面、自由曲面時(shí)，易引入中高頻面形誤差，導(dǎo)致收斂效率低且難以達(dá)到亞納米級(jí)精度(rms≤λ/50)。
2、缺乏實(shí)時(shí)閉環(huán)控制：現(xiàn)有技術(shù)依賴離線檢測與人工干預(yù)，加工過程中無法動(dòng)態(tài)修正誤差。
3、超薄元件加工挑戰(zhàn)：厚度小于1mm的光學(xué)元件在加工中易因熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力發(fā)生變形，傳統(tǒng)方法難以控制面形畸變。
4、行業(yè)需求驅(qū)動(dòng)隨著極紫外光刻(euv)、空間光學(xué)遙感等領(lǐng)域?qū)Τ芄鈱W(xué)元件的需求激增(如面形精度rms≤1nm、粗糙度ra≤0.2nm)，亟需一種能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測-加工-補(bǔ)償全閉環(huán)的高效制造方法。
5、傳統(tǒng)光學(xué)加工方法存在以下局限性：加工復(fù)雜面形時(shí)易引入中高頻誤差，導(dǎo)致面形收斂效率低，加工過程中缺乏實(shí)時(shí)面形檢測與反饋，依賴人工干預(yù)，超薄元件加工易因應(yīng)力變形導(dǎo)致面形精度下降。
6、因此，亟待基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)改進(jìn)的技術(shù)來解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的這一問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供通過哈特曼波前傳感器與波長調(diào)諧干涉儀在線檢測，實(shí)現(xiàn)加工誤差的亞納米級(jí)實(shí)時(shí)反饋(精度達(dá)0.1nm)，突破傳統(tǒng)離線檢測的滯后性，基于材料去除量與熱應(yīng)力分布的物理模型，反向補(bǔ)償工件臺(tái)位姿，解決超薄元件加工變形問題，利用時(shí)序?qū)W習(xí)算法預(yù)測離子束駐留時(shí)間與路徑規(guī)劃，使面形收斂速度提升40％以上，支持非球面、離軸拋物面、微透鏡陣列等異形元件加工，并且模塊化設(shè)計(jì)允許替換檢測模塊或加工模塊，適配不同材料的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，包括光學(xué)元件加工系統(tǒng)、離子束加工模塊、自適應(yīng)光學(xué)檢測模塊、智能控制模塊所述光學(xué)元件加工系統(tǒng)上主要包括離子束加工模塊、自適應(yīng)光學(xué)檢測模塊、智能控制模塊；
3、所述離子束加工模塊上包括離子源系統(tǒng)、六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)；
4、所述自適應(yīng)光學(xué)檢測模塊上包括波長調(diào)諧干涉儀、哈特曼波前傳感器；
5、所述智能控制模塊上包括加工路徑優(yōu)化單元、應(yīng)力補(bǔ)償單元。
6、優(yōu)選的，所述離子源系統(tǒng)采用射頻離子源，束流密度范圍為0.1-5ma/cm2；
7、射頻離子源的入射角動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)：通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制離子束入射角0°-60°連續(xù)可調(diào)，角度分辨率≤0.1°；
8、束斑尺寸控制：采用多極磁透鏡聚焦，束斑直徑可在50μm-2mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
9、優(yōu)選的，所述六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)自由度x、y、z直線軸，六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)的行程為±200mm，形成的定位精度±10nm，所述六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)上a、b、c旋轉(zhuǎn)軸的角度范圍為±30°，分辨率0.001°，所述六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)配備防振氣浮基座。
10、優(yōu)選的，所述波長調(diào)諧干涉儀的光源為可調(diào)諧激光器，可調(diào)諧激光器的波長為632.8nm，調(diào)諧范圍為±5nm；
11、所述波長調(diào)諧干涉儀在粗加工階段每5分鐘觸發(fā)一次全場掃描，生成三維面形誤差圖。
12、優(yōu)選的，所述哈特曼波前傳感器微透鏡陣列為12×12子孔徑，哈特曼波前傳感器的采樣頻率為100hz，實(shí)時(shí)檢測加工區(qū)域的局部斜率誤差為0.05λ/mm；
13、哈特曼波前傳感器與離子束加工同步，在精加工階段持續(xù)反饋波前畸變，觸發(fā)離子束入射角動(dòng)態(tài)調(diào)整。
14、優(yōu)選的，所述工路徑優(yōu)化單元基于lstm神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序預(yù)測模型，輸入為歷史面形誤差數(shù)據(jù)、離子束參數(shù)(束流、入射角)，輸出為最優(yōu)駐留時(shí)間分布；
15、硬件支持：gpu加速計(jì)算卡(nvidia?a100)，單次路徑規(guī)劃耗時(shí)＜10秒。
16、優(yōu)選的，所述應(yīng)力補(bǔ)償單元
17、熱-機(jī)械耦合模型：根據(jù)材料去除率(計(jì)算公式：δh＝k·i·t·cosθ，k為刻蝕系數(shù)，i為束流，t為駐留時(shí)間，θ為入射角)預(yù)測熱應(yīng)力分布；
18、補(bǔ)償策略：通過六軸工件臺(tái)的z軸微位移(補(bǔ)償量δz＝α·δt·h，α為熱膨脹系數(shù)，δt為溫升，h為元件厚度)抵消變形。
19、優(yōu)選的，基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)的加工方法包括以下步驟：
20、使用波長調(diào)諧干涉儀對(duì)工件進(jìn)行全場掃描，生成初始面形誤差圖，pv值、rms值及中高頻誤差分布；
21、根據(jù)誤差分布，劃分加工區(qū)域(例如將pv＞100nm的區(qū)域標(biāo)記為“粗加工區(qū)”)；
22、將工件表面離散化為網(wǎng)格，網(wǎng)格間距0.5mm，基于lstm模型計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的最優(yōu)駐留時(shí)間，生成離子束掃描路徑采用螺旋填充軌跡，避免邊緣效應(yīng)；
23、對(duì)鏡面先進(jìn)行粗加工，調(diào)節(jié)離子束模式，大束流為(3ma/cm2)，大束斑為(2mm)，工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為10mm/s(x/y軸)，材料去除率＞50nm/min；
24、每5分鐘中斷加工，觸發(fā)干涉儀檢測，更新面形誤差圖，若檢測到局部區(qū)域殘留誤差＞30nm，則對(duì)該區(qū)域增加二次掃描(駐留時(shí)間延長20％)；
25、粗加工結(jié)束后進(jìn)行精加工階段，將離子束模式調(diào)節(jié)成小束流(0.5ma/cm2)，小束斑為(50μm)，工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為1mm/s(x/y軸)，材料去除率＜5nm/min；
26、哈特曼傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測加工區(qū)域的波前斜率，若檢測到局部斜率偏差＞0.1λ/mm，調(diào)整離子束入射角，并條機(jī)動(dòng)態(tài)修正駐留時(shí)間；
27、根據(jù)材料累積去除量計(jì)算溫升，有限元分析(fea)預(yù)測變形量，生成補(bǔ)償位移指令；
28、通過六軸工件臺(tái)的z軸微動(dòng)和b/c軸傾斜，反向抵消熱變形，補(bǔ)償后觸發(fā)干涉儀驗(yàn)證，直至面形誤差變化量＜1nm；
29、使用白光干涉儀測量ra值，掃描區(qū)域5×5μm2，若ra＞0.2nm，觸發(fā)局部離子束修形；
30、全場rms值需滿足λ/50(λ＝632.8nm對(duì)應(yīng)rms≤12.6nm)，實(shí)際實(shí)施例中達(dá)到rms1.1nm。
31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
32、該系統(tǒng)通過哈特曼波前傳感器與波長調(diào)諧干涉儀在線檢測，實(shí)現(xiàn)加工誤差的亞納米級(jí)實(shí)時(shí)反饋(精度達(dá)0.1nm)，突破傳統(tǒng)離線檢測的滯后性，基于材料去除量與熱應(yīng)力分布的物理模型，反向補(bǔ)償工件臺(tái)位姿，解決超薄元件加工變形問題，利用時(shí)序?qū)W習(xí)算法預(yù)測離子束駐留時(shí)間與路徑規(guī)劃，使面形收斂速度提升40％以上，支持非球面、離軸拋物面、微透鏡陣列等異形元件加工，并且模塊化設(shè)計(jì)允許替換檢測模塊或加工模塊，適配不同材料。
1.基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，包括光學(xué)元件加工系統(tǒng)(1)、離子束加工模塊(2)、自適應(yīng)光學(xué)檢測模塊(3)、智能控制模塊(4)其特征在于：所述光學(xué)元件加工系統(tǒng)(1)上主要包括離子束加工模塊(2)、自適應(yīng)光學(xué)檢測模塊(3)、智能控制模塊(4)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，其特征在于：所述離子源系統(tǒng)(5)采用射頻離子源，束流密度范圍為0.1-5ma/cm2；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，其特征在于：所述六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)(6)的運(yùn)動(dòng)自由度x、y、z直線軸，六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)(6)的行程為±200mm，形成的定位精度±10nm，所述六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)(6)上a、b、c旋轉(zhuǎn)軸的角度范圍為±30°，分辨率0.001°，所述六軸聯(lián)動(dòng)工件臺(tái)(6)配備防振氣浮基座。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，其特征在于：所述波長調(diào)諧干涉儀(7)的光源為可調(diào)諧激光器，可調(diào)諧激光器的波長為632.8nm，調(diào)諧范圍為±5nm；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，其特征在于：所述哈特曼波前傳感器(8)微透鏡陣列為12×12子孔徑，哈特曼波前傳感器(8)的采樣頻率為100hz，實(shí)時(shí)檢測加工區(qū)域的局部斜率誤差為0.05λ/mm；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，其特征在于：所述工路徑優(yōu)化單元(9)基于lstm神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序預(yù)測模型，輸入為歷史面形誤差數(shù)據(jù)、離子束參數(shù)(束流、入射角)，輸出為最優(yōu)駐留時(shí)間分布；
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)，其特征在于：所述應(yīng)力補(bǔ)償單元(10)
8.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的基于離子束修形與自適應(yīng)檢測的高精度光學(xué)元件加工系統(tǒng)的加工方法包括以下步驟：