收敛抛光:高品质光学平面与球的一种简单，快速，全口径抛光工艺

摘要

A novel optical polishing process, called “Convergent Polishing”, which enables faster, lower cost polishing, is described. Unlike conventional polishing processes, Convergent Polishing allows a glass workpiece to be polished in a single iteration and with high surface quality to its final surface figure without requiring changes to polishing parameters.

摘要

会聚抛光是一种新颖的抛光系统及方法用于精加工平面和球形玻璃光学其中一个工件，独立于它的初始形状（ 即表面图），将收敛到最终表面的数字与下一个固定的，不变的一组良好的表面质量在单个抛光迭代抛光参数。与此相反，常规的全口径抛光方法需要多个常长，涉及抛光，计量和工艺变化以获得所需的表面图的迭代循环。的收敛抛光过程是基于工件 - 研具失配的高度造成的压力差，与去除并导致工件会聚到搭接的形状减小的概念。成功地执行收敛抛光处理的是若干的技术的结合的结果，以除去非均匀的空间的材料去除（所有来源除了工件 - 研具失配）为表面图形收敛性和减少在系统中为低刮密度和低粗糙度流氓颗粒的数目。的收敛抛光过程已被证明为单位和各种形状，尺寸的球体，以及各种玻璃材料的长宽比的制造。的实际影响是，高品质的光学元件，可以更快速地制造，更多次，以较少的计量，并以更少的劳动，从而降低了单位成本。在这项研究中，收敛抛光协议是专门用于制造26.5厘米正方形熔融二氧化硅单位从细地面表面到抛光〜λ/ 2的表面图抛光表面每4小时就A 81厘米直径的抛光后说明。

引言

在一个典型的光学制造工艺的主要步骤包括整形，打磨，全口径抛光，有时小工具抛光^1-3。凭借高品质的光学元件的需求成像和激光系统不断增加，出现了光学加工显著的进步在过去的几十年。例如，精密，确定性材料去除现在可以塑造和打磨工艺，在计算机数字控制的进步（CNC）玻璃成型机中。同样地，小工具抛光技术（ 例如 ，计算机控制光学表面（CCOS），离子辩别，而磁流变精加工（MRF）），导致确定性材料去除和表面形状控制，从而强烈地影响光学制造工业。然而，在整理过程中，全口径抛光的中间步骤，仍然缺乏确定性较高，通常需要熟练的opticiaNS开展多个，长常，迭代周期，多工艺变化，实现对所需的表面图^1-3。

大量的研磨方法中，过程变量，以及复杂的化学和工件，搭接和浆料^3-4之间的机械相互作用作出它具有挑战性的，从一个"艺术"到科学变换光学研磨。为了实现确定性全口径抛光，该材料去除速率，必须很好地理解。从历史上看，材料去除速率已经描述了广泛的应用普雷斯顿公式⁵

（1）

其中，DH / dt是平均厚度去除率，K _p是普雷斯顿恒定的_，σO被所施加的压力，而V _r是在工件和研具之间的平均相对速度。 图1示意性地示出了如所描述的普雷斯顿公式，包括在速度的空间和时间的变化和压力，之间的差别影响的材料去除速率的物理概念施加的压力和压力分布工件经历，和摩擦效应^6-8。具体地，经历了由工件的实际压力分布由一些现象强烈影响所得工件的表面图（在别处详细描述的^6-8）的约束。另外，在普雷斯顿公式，微观和分子水平的影响在很大程度上折叠成宏观普雷斯顿常数（k _p）的 ，这影响了整体材料去除率，微观粗糙度，甚至刮伤工件上。各种研究已扩大普雷斯顿的模型来解释对于微观粒子的浆垫，工件的相互作用来解释材料去除率和微粗糙度^9-16。

为了实现表面图的过程中充分孔径抛光确定性控制中，每个上述的现象，需要理解，量化，然后进行控制。后面收敛抛光的策略是消除或最小化的材料去除不均匀的不良的原因，无论是通过工程化抛光的设计或通过过程控制，使得去除仅驱动由工件-研具失配由于工件形状^{7,17- 18。} 图2说明了如何根据工件-研具失配的概念工件形状可导致收敛。考虑一台一圈，并在左上方显示复杂形状的工件的假设。该接口高度不匹配（称为间隙_，ΔHOL）影响界面压力分布（σ）为:

内容"FO:保持together.within页="总是"> （2）

其中，h是常数，描述的速率将压力下降的增加间隙的_ΔhOL ^6。在这个例子中，工件具有在中心的最高局部压力（参见图2的左下角），因此这个位置将抛光期间观察的最高初始材料去除速率。作为材料被去除，横跨工件的压力差会减小，由于在工件 - 研具失配的降低，工件会收敛到搭接的形状。在收敛时，工件的压力分布，并且因此材料去除，将横跨该工件均匀（参照图2右侧的）。这个例子说明了一个平面搭接，howev呃同样的概念适用于一个球形棉卷（凹或凸）。同样，如果所有影响空间的材料的不均匀等现象已经消除了这种融合的过程才有效。在收敛抛光协议实施的具体程序和工程缓解在讨论中描述。

在以下研究中所描述的协议是收敛的抛光过程专门为26.5平方厘米的熔融石英玻璃工件从细地面开始。在8小时内抛光的（4小时/面），此工件可达到〜λ/ 2的抛光平坦度非常高的表面质量（ 即低刮密度）。

研究方案

1.准备抛光和研磨液的

首先准备收敛抛光系统（特别是称为C onvergent， 我 nitial表面独立，S英格尔迭代，R ogue无颗粒抛光或CISR（发音为'剪刀^'））7,17通过安装垫和隔，调节垫，稀释＆化学稳定浆料，并结合过滤系统内的浆液。

1. 在CISR抛光，坚持聚氨酯垫到花岗岩一圈基地。一个边缘的第一附着垫和在方向施加压力朝向相对边缘，以尽量减少空气间隙。修剪悬垂垫，然后使用剃刀刀片和滚筒刺穿并在必要时除去气泡。
2. 第一次使用时，每100〜h时抛光，金刚石条件使用CMP金刚石修整垫R（直径50mm; 0.6磅施加的压力; 5分钟停留在为25mm的间距增量每个径向圈位置;旋转一圈25转）用流动的去离子水。
3. 用流动的去离子水，抛光迭代之间，从垫采用原位超声波清洗机（圈旋转5转〜2分钟停留在每个径向位置）清除残留的泥浆，玻璃制品。
4. 上的形状独特的隔膜的重量，附着双面泡棉胶带，然后将隔膜材料（ 例如 ，预先切割的玻璃或其它非穿着材料）。修剪任何悬垂泡沫带相匹配的隔膜材料和重量的形状。注意隔膜设计（包括形状和重量）改变为不同尺寸的工件和研具^7,17的。
5. 制备抛光浆料以波美4浓度（具体地按体积混合〜1份氧化铈抛光浆料和〜9份去离子（DI）水的11部总cket）。检查波美用波美浮动。加〜5毫升KOH（10μM）的pH调节至9.5，并添加〜专有表面¹⁹¹²⁰毫升（1体积％）。调整pH和波美抛光的每24个小时。
6. 用准备好的泥浆进入​​过滤系统安装水桶。然后安装所需的CMP颗粒物过滤器进入过滤系统。让过滤系统内的淤浆再循环数小时。
7. 浆料的测量的粒度分布（ 例如 ，使用单粒子光学传感技术），以确保尾端分布是充分流氓无颗粒^9,20。

2.准备工件（蚀刻和方块）

前抛光，化学蚀刻作为接收的细地工件，以减少所需的除去亚表面研磨损伤²¹的材料去除量。然后，方框工件（如果纵横比（ 即长度/厚度）为> 10）使用一种新的音调按钮阻塞（PBB）技术，以防止工件从阻断和抛光²²中弯曲。

1. 蚀刻精细地工件（具体为265 X 265×8 mm ³的熔凝石英玻璃平板）的一个填充有高频罐:NH _{4 F（6:1}的缓冲氧化物蚀刻（BOE）3倍稀释用DI水）6小时除去10玻璃从工件表面微米。注意！京东方是非常危险的;穿戴适当的个人防护装备（PPE）。从蚀刻罐中取出工件，积极冲洗工件与去离子水，并允许工件风干垂直。
2. 在使用明亮的光检查在黑暗的房间磨削过程中检查工件深的伤害。如果没有发现深的伤害，继续下一步，否则工件发回重磨。
3. 升温阻挡间距在胶枪〜95ºC和地点沥青水滴（也称为按钮）（〜0.06克）上的脸堵板9×9阵列（81按键与26毫米间距）。对于不同尺寸的工件，请参考设计的理想数量，大小规则，和音调按钮²²的间隔。放置阻挡板与所施加的按钮正视在预热烘箱中在70 ºC。
4. 适用胶带到未待抛光工件的表面上。避免产生气泡或过度伸展的胶带。
5. 放置工件用胶带面朝下到上的遮挡板在烤箱的按钮。覆盖工件键块，以尽量减少对流。 1.5小时后，将炉冷却至10℃/小时至室温。冷却后，就被阻止的工件的节距厚度应为〜1毫米。

3.收敛抛光

1. 打开湿度系统在CISR抛光机的环境室中，以防止在抛光期间由干燥浆料，并尽量减少流氓颗粒划伤工件。
2. 插件身高和挂载专门设计并准备入隔抛光。安装PBB工件放入CISR抛光和下部支臂保持工件。
3. 在CISR波兰工件4小时以25转75毫米〜径向行程，并与从1加仑/分钟过滤系统泥浆流匹配一圈工件旋转速度。
   注:阻挡板兼作工件上的负荷重量相应于0.6 psi的施加压力。
4. 关闭一圈工件旋转和泥浆流。从CISR抛光去除PBB工件和沉没入DI装满水的浴缸。擦拭工件表面无尘布，而淹没。从浴中取出PBB工件和喷淋漂洗用去离子水。
5. 分块工件通过插入垫片在工件块接口。从工件表面去除胶带。积极冲洗工件与DI水和空气干燥。
6. PBB工件如第2部分所述，然后重复宝面对反对如在第3节中描述利升过程。

4.计量检验

1. 使用干涉测量工件反射的两侧的波前（ 即 ，表面图）以及发送波阵面。
2. 明亮的光线检测站山工件测量使用光学加工标准方法的刮伤/坑性质。工件的简短BOE蚀刻，如在步骤2.1中所述，可以使用以暴露隐划痕用于高通量的激光应用中使用的工件。用于在工件上细的划痕或粗糙度的测定中，标准光学显微镜或白光干涉可被使用。
3. 商店中使用的脸的工件的容器最小化的接触完成的工件。

结果

的收敛抛光协议上述允许地面熔融二氧化硅的工件（在此情况下26.5厘米见方）待抛光，以每面4小时的单次迭代，以的峰 - 谷平坦度〜λ/ 2（〜 330纳米）为低纵横比的工件和〜1λ（〜633纳米），用于高纵横比的工件（ 见图3）。再次，此过程反复收敛工件至相同的最终面形，而无需改变抛光参数，它独立于初始表面身影。另外，〜4微米/小时的高工件平均去除率一律取得使用上述条件?...

讨论

正如引言中讨论，成功实现收敛相对于抛光表面图涉及消除或减少所有影响空间的材料的非均匀性，除了对工件 - 研具失配，由于工件形状的现象。如果这些现象的任何一个没有适当地减轻，无论是通过过程控制或通过抛光，然后将所需的会聚点不能达到或维持适当的工程;因此，每一个基本的缓解变得至关重要。为了说明这一点， 图6示出在工件上的收敛点的表面的图（表示为峰-谷?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
MHN 50 mil Polyurethane Pad	Eminess Technologies	PF-MHN15A050L-56
Cerium oxide polishing slurry	Universal Photonics	HASTILITE PO
Septum Glass (waterjet cut)	Borofloat ; Schott	NA
Diamond conditioner	Morgan Advanced Ceramics	CMP-25035-SFT
Ultrasonic Cleaner	Advanced Sonics Processing System	URC4
Purification Optima Filter cartridge	3M	CMP560P10FC
Blocking Pitch	Universal Photonics	BP1
Blocking Tape	3M	#4712
Cleanroom Cloth	ITW Texwipe	AlphaWipe TX1013
Single Particle Optical Sensing	Paritcle Sizing Systems	Accusizer 780 AD