本發明涉及離子束成型的技術領域，具體涉及一種非球面離子束成型裝置及方法。

背景技術：

現代光學系統中為提高成像質量，減輕系統復雜度，降低系統成本，越來越多地采用非球面光學元件。但是，高精度大偏離量的非球面在加工制造環節依然面臨著各種各樣的技術難題。

通常采用拋光粉研磨的傳統方法加工非球面，但該方法精度有限，面形收斂不穩定，加工周期長，加工效率低，難以滿足現代光學系統的需求。

基于離子束濺射原理的光學加工技術是現代光學元件加工的一種重要加工技術，其優勢在于精度高、無表面應力、無邊緣效應、確定性強、能加工硬、脆、軟等多種特殊材料，不受工件面型的限制，非常適合高精度光學元件的低頻面形誤差修正。這些都是傳統加工技術難以達到的。

當前的離子束拋光技術應用于大偏離量非球面的離子束成型時一般先采用傳統工藝將光學元件制造成最接近球面，然后采用離子束進行非球面化。但是該離子束拋光方式一般采用聚焦后的小束徑離子束加工，材料移除效率較低，而且在此過程中會導致一定的中頻面形誤差，在后期加工中難以去除，非球面面形精度無法進一步提升；且在進行非球面加工過程中由于難以精確對刀，容易引起非球面偏心。

技術實現要素：

為了克服上述問題，本發明提出一種非球面離子束成型裝置及方法。

本發明提出的一種非球面離子束成型裝置，包括真空艙、離子源、離子束掩模板、工件夾持架和工件旋轉機構；

真空艙用于給離子源提供真空工作環境并容納裝置的其它部件。其存在真空門，用于打開并安裝裝置的其它部件或取放被加工件。大小及結構以能容納其它部件即可。真空艙采用真空泵為其抽真空，為常規性工業裝置，在此不再贅述。

離子源安裝于真空艙內側底部，自下而上噴射高速離子束，該離子束一般為氬氣電離形成的氬離子束，但不限于該離子束。其噴射的離子束穿過掩模板的孔洞入射到被加工工件表面，在其動能作用下轟擊工件表面原子，使其達到材料濺射去除的目的。離子源可采用射頻離子源、考夫曼離子源、空心陰極離子源或微波離子源等大面積高密度高穩定性離子源，但不限于上述類型的離子源。

工件旋轉機構安裝于真空艙內側頂部。下部安裝工件夾持架。工件夾持在工件夾持架上。工件旋轉機構最終用于驅動工件繞其中心旋轉。工件旋轉機構可采用電機驅動的轉臺搭建，但不限于該方式。被加的工件一般為圓形光學零件，但不限于圓形光學零件。

工件夾持架將工件被加工面朝下懸掛夾持，為常規性機械夾具，在此不再贅述。

離子束掩模板安置于離子源和工件之間，用于遮擋部分離子以形成特定形狀及分布的離子束。掩模板的設計應結合離子束的空間分布和被成型光學元件表面材料去除量的要求進行二維設計。掩模板可采用石墨作為材料，但不限于該材料。非球面成型過程中，掩模板相對離子源保持不動，工件在旋轉機構帶動下繞工件中心勻速轉動。

一種非球面離子束成型裝置對光學元件實現非球面成型。采用如下的方法，包括如下的步驟，具體為：

步驟一，加工最接近球面：按照常規方法將被加工光學元件加工成目標非球面的最接近球面。

步驟二，掩模板設計：測定離子束的空間分布后，按照非球面偏移量及當前面形狀況設計特定形狀的離子束掩模板，同時計算采用該離子束掩模版所需要加工的時間。

步驟三，安裝被加工工件：將被加工光學元件的中心調整到與工件旋轉機構同軸，可采用旋轉打千分表的方法進行，但是不限于該方式。同時安裝好設計加工好的離子束掩模板。

步驟四，離子束成型：將真空艙1抽真空后開啟離子源6，同時勻速旋轉被加工件4直至達到步驟二中計算的時間，勻速旋轉的目的在于形成中心對稱的材料去除。

步驟五，檢測工件面形：檢測非球面的成型精度，如滿足要求，結束；否則轉步驟二。

本發明的一種非球面離子束成型裝置及方法其優點在于：

(1)由于掩模板可以設計成任意二維形狀，因而可以形成任意形狀分布的離子束，并形成期望的非球面偏移量。

(2)由于采用工件旋轉的加工方式，只要被加工件與被加工件旋轉機構共軸，即可獲得中心回轉材料去除量，能有效避免非球面偏心。

(3)由于采用寬束離子源形成非球面，因而可以避免非球面成型過程中形成中高頻誤差，有助于后期進一步精度提升。

(4)由于采用高穩定的離子源作為材料去除工具，因而該成型過程具有極高的非球面成型精度。

(5)由于離子束加工一般不改變光學元件表面粗糙度，因而可以將球面的表面粗糙度保持到非球面面上，不用進行后續拋光即可投入使用，減少了非球面加工的工序，降低了成本。

(6)由于該裝置采用大面積高密度高穩定性離子源，具有較高的材料移除效率，因而可以實現高效率的非球面成型。

附圖說明

圖1為本發明的非球面離子束成型裝置及方法的裝置示意圖，其中，1為真空艙，2為工件旋轉機構，3為工件夾持架，4為被加工件，5為離子束掩模板，6為離子源，7為離子束；

圖2為本發明的大口徑離子束加工裝置及方法的掩模板設計示意圖，其中，5為離子束掩模板，8為掩模板開孔；

圖3為本發明的非球面離子束成型方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式作進一步說明本發明。

圖1所示為用于非球面光學元件的離子束成型的裝置，包括真空艙1、工件旋轉機構2、工件夾持架3、被加工件4、離子束掩模板5和離子源6。

真空艙1用于給離子源6提供真空工作環境并容納裝置的其它部件。其存在真空門，用于打開并安裝裝置的其它部件或取放被加工件4。大小及結構以能容納其它部件即可。真空艙1采用真空泵為其抽真空，真空艙1為常規性工業裝置，在此不再贅述。

離子源6安裝于真空艙1內側底部，自下而上噴射高速離子束7，該離子束7一般為氬氣電離形成的氬離子束，但不限于該離子束。其噴射的離子束7穿過離子束掩模板5的孔洞入射到被加工件4表面，在其動能作用下轟擊被加工件4表面原子，使其達到材料濺射去除的目的。離子源6可采用射頻離子源、考夫曼離子源、空心陰極離子源或微波離子源等大面積高密度高穩定性離子源，但不限于上述類型的離子源。

工件旋轉機構2安裝于真空艙1內側頂部。其下部安裝工件夾持架3。被加工件4夾持在工件夾持架3上。工件旋轉機構2最終用于驅動被加工件4繞其中心旋轉。工件旋轉機構2可采用電機驅動的轉臺搭建，但不限于該方式。被加工件4一般為圓形光學零件，但不限于圓形光學零件。

工件夾持架3將被加工件4的被加工面朝下懸掛夾持，為常規性機械夾具，在此不再贅述。

離子束掩模板5安置于離子源6和被加工件4之間，用于遮擋部分離子以形成特定形狀及分布的離子束7。離子束掩模板5的設計應結合離子束7的空間分布和被加工件4表面材料去除量的要求進行二維設計。離子束掩模板5可采用石墨作為材料，但不限于該材料。被加工件4進行非球面成型過程中，離子束掩模板5相對離子源6保持不動，被加工件4在工件旋轉機構2帶動下繞被加工件4的中心勻速轉動。

一種非球面離子束成型裝置對被加工件4實現非球面成型。采用如下的方法，包括如下的步驟，具體為：

步驟一，加工最接近球面：按照常規方法將被加工件4加工成目標非球面的最接近球面。

步驟二，離子束掩模板5設計：測定離子束7的空間分布后，按照非球面偏移量及當前面形狀況設計特定形狀的離子束掩模板5，同時計算采用該離子束掩模版5所需要加工的時間。

步驟三，安裝被加工件4：將被加工件4的中心調整到與工件旋轉機構2同軸，可采用旋轉打千分表的方法進行，但是不限于該方式。同時安裝好設計加工好的離子束掩模板5。

步驟四，離子束成型：將真空艙1抽真空后開啟離子源6，同時勻速旋轉被加工件4直至達到步驟二中計算的時間，勻速旋轉的目的在于形成中心對稱的材料去除。

步驟五，檢測工件面形：檢測被加工件4的成型精度，如滿足要求，結束；否則轉步驟二。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。