Способ удаления материала с поверхности оптических деталей для формирования оптических элементов с формой поверхности в виде внеосевого сегмента эллипсоида вращения Российский патент 2025 года по МПК B24B13/06 G02B3/02 

Изобретение относится к технологическому процессу формирования оптических элементов из оптических материалов, в частности плавленого кварца, представляющих собой внеосевой сегмент эллипсоида (фигуры вращения), травлением широкоапертурным квазипараллельным ионным пучком через диафрагму, формирующую профиль ионного пучка.

Асферические зеркала по сравнению с обычными сферическими позволяют получить дифракционно ограниченное качество фокусировки пучка лучей и одновременно уменьшить число зеркал, а, следовательно, уменьшают массогабаритные характеристики оптической системы и число отражений, что важно в экстремальном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах длин волн, где коэффициенты отражения зеркал находятся на уровне 10-70%.

Некоторые оптические системы имеют в своем составе внеосевые асферические зеркала. В каких-то случаях это обусловлено необходимостью избежать тени от источника, например, в зеркалах для сбора изучения из лазерно-плазменных источников. В каких-то случаях это внеосевые зеркала объективов, которые должны иметь вытянутое вдоль одной оси поле зрения для организации одномерного сканирования (телескопы Триплета Кука US 4265510 «Three mirror anastigmatic optical system», МПК G02B17/06, G02B17/00, публ. 05.05.1981 г.; промышленные объективы ЭУФ-литографов US RE42118 «Projection system for EUV lithography», МПК G03B27/54, публ. 08.02.2011 г. ).

Внеосевые асферические (параболические и эллиптические) зеркала также применимы в спектрометрах, радиометрах, расширителях пучков, коллиматорах, системах измерения и других оптических контрольных приборах, системах измерения расхождения лазерных лучей.

Основной метод изготовления оптических элементов с формой поверхности в виде внеосевой асферики, осуществляющих коллимацию и фокусировку пучков в первую очередь рентгеновского излучения, это притир с малоразмерным полировальником на 3D станке с ЧПУ (например, авторское свидетельство SU 1689035 «Способ обработки внеосевых асферических поверхностей оптических деталей», МПК В24 В13/00, публ. 07.11.1991 г. ). Данный метод позволяет получать поверхности с ошибками формы результирующей поверхности по среднеквадратическому отклонению (СКО) от расчетной на уровне 100 нм (D. Zhu et al. «Research on key Technology of compound polishing of off-axis Parabolic Mirror», Proc. of SPIE, V. 12507, 125070V). Однако такие параметры не удовлетворяют требованиям рентгеновского диапазона длин волн, поскольку короткая длина волны накладывает высокие требования на качество поверхности оптических элементов (точность формы по параметру СКО должна быть на уровне единиц нм). Кроме того спецификой рентгеновского диапазона длин волн является зеркальное отражающее покрытие, основанное на многослойных интерференционных структурах - рентгеновских зеркалах, которые обладают высокой чувствительностью к шероховатости поверхности. Таким образом, помимо точной формы поверхность оптических элементов должна обладать низкой шероховатостью.

Другой возможный подход - обработка поверхности оптических элементов малоразмерным режущим инструментом. В данном случае на поверхности развивается шероховатость (в ходе точения разрушается приповерхностный слой обрабатываемой заготовки), а также образуется рельеф с латеральными размерами, соответствующими шагу резца (L.N. Abdulkadir et al. «The International Journal of Advanced Manufacturing Technology», 2018, 96:173 208), что приводит к существенному снижению коэффициентов отражения многослойных рентгеновских зеркал. Кроме того, это приводит к появлению ошибок формы поверхности из-за биений инструмента и/или детали, формируются высокочастотные ошибки формы поверхности, имеющие периодичность по радиусу и по углу (М.Н. Торопов, А.А. Ахсахалян, И.В. Малышев, М.С. Михайленко, А.Е. Пестов, Н.Н. Салащенко, А.К. Чернышов, Н.И. Чхало «Линзовый корректор волнового фронта для изучения плоских поверхностей)), Журнал технической физики, 2021, т. 91, вып. 10, с. 1583-1587), что также не позволяет использовать полученные по этой методике оптические элементы для излучения рентгеновского диапазона длин волн. Такой подход реализован в документах CN 102049530 («Precision turning processing method for off-axis aspheric mirror with large off-axis», МПК B23B1/00, публ. 19.09.2012 г. ) и CN 117943566 («Ultra-precise turning device for oblique off-axis ellipsoidal mirror», МПК B23B5/00, публ. 30.04.2024 г. ).

В патенте CN 1187627 («Production method of off-axis paraboloid mirror», МПК G02B3/02, публ. 02.02.2005 г.) предлагается способ для изготовления внеосевого параболоида, формирующего параллельный световой пучок от точечного источника. Метод предполагает предварительное изготовление сферической заготовки и последующее доведение формы до требуемой параболической. Предлагается ножом отсекать различные части поверхности зеркала, установленного в расчетной геометрии, и смотреть за затенением от ножа, шлифовать выделенные области до тех пор, пока яркость теневого изображения не станет равномерной. Очевидно, такой подход не может обеспечивать высокую точность формы поверхности и низкую шероховатость в области средних и высоких пространственных частот.

Наиболее перспективным в настоящее время методом формирования оптических элементов, удовлетворяющих всем требованиям рентгеновского диапазона длин волн, является ионно-пучковое травление. Процедура позволяет удалять материал с оптической поверхности на атомарном уровне путем физического распыления и обладает многими преимуществами по сравнению с обычными процессами формирования асферических оптических поверхностей, такими как высокая детерминированность, отсутствие механической нагрузки, минимальное повреждение поверхности или подповерхностных слоев. Для формирования асферических рентгенооптических элементов применяются методы ионной асферизации малоразмерным ионным пучком (М.В. Зорина, И.М. Нефедов, А.Е. Пестов, Н.Н. Салащенко, С.А. Чурин, Н.И. Чхало «Прецизионная асферизация поверхности оптических элементов ионно-пучковым травлением», Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2015, № 8, с. 9-15), а также широкоапертурным сильноточным ионным пучком через формирующую ионный пучок диафрагму (И.Г. Забродин, М.В. Зорина, И.А. Каськов, И.В. Малышев, М.С. Михайленко, А.Е. Пестов, Н.Н. Салащенко, А.К. Чернышев, Н.И. Чхало «Ионно-пучковые методики прецизионной обработки оптических поверхностей», Журнал технической физики, 2020, т.90, вып.11, с. 1922-1930). В первом случае удается сформировать поверхность произвольной формы, однако, малые размер ионного пучка и ток ионов не позволяют проводить травление на большую глубину, что существенно ограничивает производительность метода. Во втором случае существует два подхода: при неподвижной диафрагме и вращении позади нее сферической заготовки; при неподвижной сферической заготовке и вращающейся перед ней формирующей ионный пучок диафрагме. В обоих случаях на поверхности исходно сферической заготовки формируется асферика с осевой симметрией. В патенте RU 2810680 («Способ формирования на поверхности оптических элементов астигматизма и более высоких порядков полиномов Цернике с коэффициентами n=m (n≥2)», МПК G02B3/02, публ. 28.12.2023 г.) предлагается подход формирования неосесимметричной асферики за счет вращения заготовки с переменной от угла скоростью. Однако в описанных подходах с использованием широкоапертурного сильноточного источника ионов не удается сформировать асферические поверхности, представляющие собой внеосевой сегмент фигуры вращения.

Наиболее близкое по технической сущности изобретение представлено в патенте RU 2793080 «Способ осесимметричной коррекции оптических деталей произвольной формы» (МПК В24 В13/06, публ. 28.03.2023 г.), в котором описывается способ осесимметричной коррекции формы оптических элементов произвольной формы. Способ-прототип включает измерение карты ошибок формы поверхности детали с помощью интерферометра, для измеренной карты ошибок формы производят поиск оси вращения оптической детали как внутри апертуры этой детали, так и вне ее, и расчет профиля травления таким образом, чтобы обеспечить максимальное уменьшение ошибки формы поверхности оптической детали. Для этого находят глобальный минимум поверхности на измеренной карте ошибок формы, перебирая доступные в геометрии установки положения оси вращения. Относительно каждой оси рассчитывают профиль травления, а затем выбирают ось вращения, обеспечивающую минимальный объем ошибки формы поверхности после травления. Технический результат прототипа заключается в уменьшении аберраций волнового фронта, вносимых оптическим элементом, имеющих природу осесимметричной ошибки формы поверхности, возникшей в процессе производства заготовки методом классического притира.

Недостатком способа-прототипа является невозможность изготовления оптических поверхностей в виде внеосевого сегмента эллипсоида вращения, так как невозможно проведение прямых измерений отклонения формы поверхности сферической заготовки относительно искомого эллипсоида из-за существенно различных точек фокусировки сферы и эллипсоида.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа удаления материала с поверхности оптических деталей широким квазипараллельным ионным пучком, позволяющего формировать на поверхности детали профиль в виде сегмента эллипсоида вращения.

Технический результат достигается благодаря тому, что разработанный способ удаления материала с поверхности оптических деталей широким квазипараллельным ионным пучком так же, как и способ-прототип, включает расчет отклонения формы поверхности детали, расчет сечения фигурной диафрагмы, перемещение детали позади диафрагмы. Новым является то, что для формирования зеркал с формой поверхности в виде внеосевого сегмента эллипсоида вращения, передающих излучение из одного фокуса эллипсоида в другой, рассчитывают отклонение формы поверхности детали от вершинной сферы, задаваемой формулой в виде полинома второй степени, путем решения системы уравнений, задающих геометрию оптической схемы, при этом проводят ионное травление детали при качании ее относительно оси вершинной сферы с постоянной угловой скоростью позади фигурной диафрагмы, задающей профиль асферизации, и формирование асферической поверхности.

Разработанный способ поясняется следующими фигурами.

На фиг.1 схематично представлен процесс обработки оптической детали по заявленному способу.

На фиг.2 приведен пример оптической схемы.

На фиг.3 приведен пример разности формы поверхности образующей эллипсоида вращения и вершинной сферы в точке их касания (пунктиром показан выбранный внеосевой сегмент эллипсоида вращения).

Эллипсоид вращения (вытянутый сфероид) можно также определить как геометрическое место точек пространства, для которых сумма расстояний до двух заданных точек (фокусов эллипсоида) постоянна. Зеркало в виде вытянутого эллипсоида вращения обладает следующим свойством: лучи света, исходящие из одного из фокусов эллипсоида, после отражения соберутся в другом фокусе. Сегмент поверхности эллипсоида вращения обладает всеми свойствами полной поверхности фигуры вращения, но обладает меньшей светосилой. В оптике, как правило, применяются внеосевые сегменты для удобства размещения зеркала относительно источника и приемника излучения. Для реализации профиля поверхности в виде сегмента эллипсоида вращения в разработанном способе выполняют следующие действия.

Задают оптическую схему. Для этого выбирают расстояние между фокусами эллипсоида (положения источника и приемника) и требуемое местоположение зеркала -сегмента поверхности эллипсоида. Разрабатывая оптическую схему, выбирают такой сегмент эллипсоида, который собирал бы максимум света от источника для передачи на приемник и стоял в удобном для эксперимента месте.

На фиг.2 представлен пример оптической схемы (осевое сечение). F1 и F2 - фокусы эллипсоида, О - точка пересечения вершинной сферы с осью эллипсоида, O1 - точка касания вершинной сферы и образующей эллипсоида вращения.

Образующую поверхности эллипсоида задают по формуле:

kz² - 2Rz+х²+y²+z²=0, (1)

где k=b/а - коническая константа,

а и b - большая и малая полуоси эллипса,

R - радиус вершинной сферы.

Выбирают рабочий сегмент эллипсоида вращения (определяется оптической схемой), для этого задают координаты точки O1 (x_k, y_k, Z_k) касания вершинной сферы и образующей эллипсоида вращения.

После этого определяют отклонение образующей эллипсоида вращения от вершинной сферы, решая систему уравнений (2) для точки касания {x_k, y_k, Z_k):

Получившаяся поверхность (геометрическое место точек) является симметричной относительно оси Z, т.е. существует функция F=ƒ(r), задающая образующую данной поверхности.

Сферическую заготовку с формой поверхности, описываемой формулой вершинной сферы, изготавливают из оптического материала (плавленый кварц).

Сечение фигурной диафрагмы для формирования на поверхности заготовки требуемого профиля методом ионного травления широкоапертурным квазипараллельным пучком рассчитывают по формуле:

где ϕ(r) - функция формы маски в полярных координатах,

ω - угловая скорость вращения детали в оборотах/минуту (характеристика поворотного столика),

ƒ(r) - требуемый профиль травления в виде одномерной карты, то есть зависимость глубины травления от радиуса детали,

ν(r) - распределение скорости травления, получаемое путем нормировки распределения ионного тока в пучке на скорость травления для данной пары газ-материал мишени (Ar, плавленый кварц).

Ионное травление проводят при качании заготовки с постоянной угловой скоростью позади фигурной диафрагмы.

На фиг.1 схематично показан процесс обработки оптической детали по заявленному способу. После расчета отклонения формы поверхности детали 1 от вершинной сферы производят расчет сечения фигурной диафрагмы 2, задающей профиль асферизации. Параллельный ионный пучок, выходя из источника 3 ионов, проходит через диафрагму 2, формирующую ионный пучок, и попадает на деталь 1, закрепленную на держателе 4. Ионное травление детали 1 проводят при качании ее относительно оси вершинной сферы с постоянной угловой скоростью.

На фиг.3 приведен пример разности формы поверхности образующей эллипсоида вращения и вершинной сферы в точке их касания O1 (пунктиром показан выбранный внеосевой сегмент эллипсоида вращения). Шкала справа показывает высоту отклонения формы поверхности эллипсоида от вершинной сферы в мм.

Таким образом, авторами предложен способ изготовления зеркальных рентгенооптических элементов, имеющих форму поверхности в виде внеосевого сегмента эллипсоида вращения, из оптических материалов, в частности плавленого кварца, обеспечивающих передачу излучения из одного фокуса эллипсоида в другой. Способ предполагает обработку поверхности широким параллельным ионным пучком через фигурную диафрагму при качании заготовки позади диафрагмы с постоянной угловой скоростью.

Изобретение относится к технологическому процессу формирования зеркальных оптических элементов из оптических материалов. Способ включает расчет отклонения формы поверхности детали, расчет сечения фигурной диафрагмы и перемещение детали позади диафрагмы. Для формирования зеркал с формой поверхности в виде внеосевого сегмента эллипсоида вращения, передающих излучение из одного фокуса эллипсоида в другой, рассчитывают отклонение формы поверхности детали от вершинной сферы, задаваемой формулой в виде полинома второй степени, путем решения системы уравнений, задающих геометрию оптической схемы. Проводят ионное травление детали при качании её относительно оси вершинной сферы с постоянной угловой скоростью позади фигурной диафрагмы, задающей профиль асферизации, и формирование асферической поверхности. Обеспечивается удаление материала с поверхности оптических деталей широким квазипараллельным ионным пучком с получением поверхности в виде внеосевого сегмента эллипсоида вращения. 3 ил.

Cпособ удаления материала с поверхности оптических деталей широким квазипараллельным ионным пучком, включающий расчет отклонения формы поверхности детали, расчет сечения фигурной диафрагмы, перемещение детали позади диафрагмы, отличающийся тем, что для формирования зеркал с формой поверхности в виде внеосевого сегмента эллипсоида вращения, передающих излучение из одного фокуса эллипсоида в другой, рассчитывают отклонение формы поверхности детали от вершинной сферы, задаваемой формулой в виде полинома второй степени, путем решения системы уравнений, задающих геометрию оптической схемы, при этом проводят ионное травление детали при качании её относительно оси вершинной сферы с постоянной угловой скоростью позади фигурной диафрагмы, задающей профиль асферизации, и формирование асферической поверхности.