高精度平面光学元件全局修形加工方法研究

摘要

平面光学元件是光学系统的重要组成部分，如今光学系统向着大型化、精密化的方向发展，对光学元件的数量和质量均提出了更高的要求。一方面光学系统所需光学元件包括平面光学元件的数量急剧增长，要求光学元件的加工具有较高的效率;另一方面，为了达到较高的成像质量，对光学元件的表面精度要求也越来越高。目前主流的加工工艺很难同时满足这两个方面的需求，所以如何能提高平面光学元件的加工效率并且保证较高的表面质量是当前亟需解决的科研难题之一。
　　空间反射镜轻量化设计引出了陶瓷类材料的广泛应用，但为了克服陶瓷材料本身的缺陷，需要对陶瓷基体进行表面改性处理并对改性层进行加工以达到使用要求。改性层厚度是决定反射镜制造成本的重要因素，因此，在满足使用要求的基础上降低材料去除总量以减小改性层厚度能很大程度上降低反射镜的制造成本。
　　本文立足于以上应用背景，在传统化学机械抛光工艺的基础上提出了一种全局修形加工新方法，阐述了其基本原理和理论依据，通过理论分析建立了全局修形加工系统并进行了试验验证，主要工作内容如下:
　　(1)基于传统化学机械抛光的基本原理，提出了通过去除抛光垫上与抛光垫同心的环形区域，避免该区域与工件表面接触，从而改变材料去除率分布特性以进行表面修形的全局修形加工新方法，并在原理上对该方法进行了阐述。
　　(2)建立了工件径向材料去除率分布趋势预测模型并编写了相应的MATLAB GUI软件程序，以分析工件表面材料去除率在不同修形条件（环形区域位置及宽度）和抛光参数（抛光压力、转速、偏心距等）下的分布趋势。
　　(3)研究了工件表面形貌对材料去除率分布特性的影响，基于实测的材料去除率分布和根据表面实际轮廓分析得到的接触压力，分析了Preston系数在工件表面的分布规律以及随面形的变化规律，研究了材料去除率的可精确预测性。
　　(4)针对Φ100mm玻璃晶圆的修形加工设计了专用的修形加工试验装置，并使用该装置进行了无摆动修形和加摆动修形两组全局修形加工试验，试验结果表明，两种方式的修形均可以大幅改善工件的面形精度，同时，通过两种方式修形结果的对比，表明加摆动修形可以明显改善工件表面沿径向的平滑度，同时，出边修形可以提高加工过程中对边缘效应的修正能力，降低材料总去除量。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文选题背景

1．1．1 平面光学元件的应用与发展

1．1．2 空间反射镜表面改性技术

1．2 平面加工工艺及国内外研究现状

1．2．1 全局抛光加工方法

1．2．2 局部修形加工方法

1．2．3 全局修形加工方法

1．2．4 组合修形加工方法

1．3 课题来源、研究目标及主要内容

2 全局修形方法理论模型

2．1 理论依据与方法原理

2．1．1 化学机械抛光材料去除机理

2．1．2 全局修形方法基本原理

2．1．3 全局修形方法的优势

2．2 材料去除率分布趋势预测模型

2．2．1 材料去除率分布理论依据

2．2．2 材料去除率分布趋势计算模型

2．2．3 接触压力分布模型

2．2．4 相对速度分布模型

2．3 材料去除率分布分析软件开发

2．3．1 常系数预测模型

2．3．2 修正系数预测模型

2．4 本章小结

3 材料去除率分布精确预测性探究

3．1 材料去除率分布精确预测的意义

3．2 材料去除率测量方法与设备

3．2．1 材料去除率测量原理与方法

3．2．2 工件的准备

3．2．3 试验设备与抛光流程

3．3 试验结果与讨论

3．3．1 硬垫试验结果

3．3．2 软垫试验结果

3．4 本章小结

4 全局修形加工方案设计与试验验证

4．1 全局修形加工方案设计

4．2 全局修形加工专用修形装置设计

4．2．1 修形装置功能需求

4．2．2 修形装置结构设计

4．2．3 全局修形加工系统

4．3 全局修形加工方案优化模型

4．3．1 数据处理方法

4．3．2 单目标优化模型

4．3．3 多目标优化模型

4．4 无摆动修形加工试验

4．4．1 试验材料及抛光参数

4．4．2 去除率分布特性选择

4．4．2 试验结果与讨论

4．5 加摆动修形加工试验

4．5．1 试验条件与抛光参数

4．5．2 试验结果与讨论

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢