光学元件加工方法

专利名称：光学元件加工方法
技术领域：
本发明涉及通过使工具在光学元件表面的光学有效区域中进行扫描来加工光学 元件的光学元件加工方法。
背景技术：
为了在光学元件表面上形成满足期望的光学特性的光学有效区域，光学有效区域 的形状和粗糙度需要被加工到一定的精度或更高的精度。根据光学元件的基本形状和目标 精度选择用于加工光学有效区域的工具(加工单元)的类型和加工形式。例如，如果光学 元件的基本形状是平坦表面或球形表面，那么，一般地，制备具有与光学有效区域相同或比 光学有效区域大的尺寸的工具，并且，一次加工整个光学有效区域。但是，如果光学元件的 基本形状是非球形形状或自由形式表面形状，那么曲率根据位置改变，因此，通常不能应用 具有与光学有效区域相同或比光学有效区域大的尺寸的工具。在这种情况下，制备具有比 要加工的光学有效区域小的斑点加工形状的工具，并且，通过使该工具扫描光学有效区域， 加工整个光学有效区域。工具的扫描形式包含光栅扫描和螺旋扫描。工具常常在扫描的同时与光学有效区 域保持恒定的角度。通过光学元件的应用和被使用的光的波长等，确定光学有效区域所需要的形状和 粗糙度的精度。通常，需要亚纳米到几百纳米的量级的非常高的精度。当使得具有比光学 有效区域小的斑点加工形状的工具扫描光学元件表面并且在这种高的精度下加工光学有 效区域时，使得工具的扫描路径为覆盖光学有效区域的整个范围的连续线(参见日本专利 申请公开 No. H09-267244)。但是，为了如上面描述的那样使得工具的扫描路径为覆盖光学有效区域的整个范 围的连续线，加工单元的可加工区域需要满足描绘连续线所需要的尺寸。换句话说，加工单 元所需要的可加工区域受被加工的光学有效区域的尺寸限制，由此影响加工装置的整个尺 寸。常规上，被加工的光学有效区域越大，则加工装置所需要的可加工区域越大，这是加工 装置小型化的大难题中的一个。本发明提供一种光学元件加工方法，其能够在不需要通过被加工的光学有效区域 的尺寸来限制加工单元所需要的可加工区域的情况下促进加工装置的小型化。

发明内容
本发明提供一种光学元件加工方法，在该光学元件加工方法中，通过扫描比光学 元件的光学有效区域小的加工区域的加工单元加工光学元件的光学有效区域，该光学元件 加工方法包括通过分割线将光学有效区域至少分割成第一分割区域和第二分割区域；使 第一分割区域与加工单元的加工区域对准；通过加工单元的扫描加工对准的第一分割区 域；使第二分割区域与加工单元的加工区域对准；和通过加工单元的扫描加工对准的第二 分割区域。
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如果光学元件的光学有效区域比加工单元的加工区域大，那么光学有效区域被分 割成多个分割区域，各分割区域依次分步移动到加工单元的加工区域，并且，使加工单元扫 描。加工装置仅需要设置用于扫描一个分割区域的加工区域，并可由此避免整个加工装置 尺寸变大。参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得十分明显。


图IA描述根据一个实施例的光学元件加工方法，并且是示出光学元件和离子束 的透视图。图IB描述根据该实施例的光学元件加工方法，并且是示出光学元件和离子束的 平面图。图IC描述根据该实施例的光学元件加工方法，并且是示出通过将光学有效区域 分成四个区域进行加工的过程的过程图。图ID描述根据该实施例的光学元件加工方法，并且是示出通过将光学有效区域 分成四个区域进行加工的过程的过程图。图IE描述根据该实施例的光学元件加工方法，并且是示出通过将光学有效区域 分成四个区域进行加工的过程的过程图。图IF描述根据该实施例的光学元件加工方法，并且是示出通过将光学有效区域 分成四个区域进行加工的过程的过程图。图IG描述根据常规例子的加工方法。图2A是描述离子束的可加工区域的透视图。图2B是描述离子束的可加工区域的平面图。图3A是示出加工光学元件的第一分割区域的过程中的光学元件和离子束的透视 图。图3B是示出加工光学元件的第一分割区域的过程中的光学元件和离子束的平面 图。图4A是示出加工光学元件的第二分割区域的过程中的光学元件和离子束的透视 图。图4B是示出加工光学元件的第二分割区域的过程中的光学元件和离子束的平面 图。图5A是示出加工光学元件的第三分割区域的过程中的光学元件和离子束的透视 图。图5B是示出加工光学元件的第三分割区域的过程中的光学元件和离子束的平面 图。图6A是示出加工光学元件的第四分割区域的过程中的光学元件和离子束的透视 图。图6B是示出加工光学元件的第四分割区域的过程中的光学元件和离子束的平面 图。图7A描述根据变型的光学元件加工方法，并且是示出光学元件的整个形状的透
4视图。图7B描述根据变型的光学元件加工方法，并且是描述光学有效区域的分割的透 视图。图7C描述根据变型的光学元件加工方法，并且是描述光学有效区域的分割的平 面图。图8A是示出图7A、图7B和图7C的光学元件的分割区域的透视图。图8B是示出图7A、图7B和图7C的光学元件的分割区域的平面图。图9A是示出加工图7A、图7B和图7C的光学元件的过程的透视图。图9B是示出加工图7A、图7B和图7C的光学元件的过程的平面图。图IOA描述利用离子束的光栅扫描，并且是示出离子束的可加工区域中的扫描路 径的平面图。图IOB描述利用离子束的光栅扫描，并且是示出光学元件的各分割区域中的扫描 路径的平面图。图IlA示出根据一个实施例的光学元件加工方法，并且是示出光学元件的立面图 (elevational view)0图IlB示出根据该实施例的光学元件加工方法，并且是示出光学元件的平面图。图12是示出根据图IlA和图IlB的实施例的加工装置的透视图。图13A和图13B分别描述图IlA和图IlB的装置的操作。图14A和图14B分别是描述根据图IlA和图IlB的实施例的光学元件加工方法的 过程图。图15描述根据常规例子的光学元件加工方法。图16是示出根据图15的常规例子的加工装置的透视图。图17是示出图16的加工装置的立面图。图18是示出图16的加工装置的操作的立面图。图19是示出图16的加工装置的另一操作的立面图。
具体实施例方式现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。如图IA IF所示，通过从加工单元发射并在比光学有效区域2小的可加工区域 (加工区域)3的范围中进行扫描的离子束4加工光学元件1的光学有效区域2。常规上，当 使得离子束4扫描光学元件1的表面并且以高精度加工光学有效区域2时，如图IG所示， 使得离子束4的扫描路径50为覆盖光学有效区域2的整个范围的连续线。出于这种原因， 加工装置的可加工区域3需要满足使离子束4描绘扫描路径50所需要的尺寸，由此可加工 区域3受要加工的光学有效区域2的尺寸限制。如果光学有效区域2较大，那么加工装置 的可加工区域3因此需要较大。因此，难以实现整个加工装置的小型化。可加工区域3是离子束4和光学元件1可相对移动(扫描)的范围。可加工区域 3由设置在加工装置中的驱动台可移动的范围和安装在离子枪内的偏转电极可偏转离子束 4的范围规定。根据本实施例，如图IA和图IB所示，在光学元件1的表面上限定的光学有效区域2的尺寸比加工装置的可加工区域3的尺寸大。因此，在加工之前，通过分割线5将光学 有效区域2分割成多个区域。首先，通过分割线5将光学有效区域2分割成四个分割区域 11 14。然后，四个分割区域11 14中的分割区域11与可加工区域3对准。通过离子 束4的扫描只加工分割区域11。随后，光学元件1分步移动以依次使分割区域12、分割区 域13和分割区域14与加工装置的可加工区域3对准。然后，通过离子束4的扫描加工各 个分割区域，直到完成整个光学有效区域2的加工。根据以上的方法，即使光学有效区域2 比加工装置的可加工区域3大，也可加工整个光学有效区域2。加工装置的可加工区域3不 受光学有效区域2的尺寸限制，因此可使得加工装置较小。将详细描述根据本实施例的光学元件加工方法。首先，如图2A所示，从工件台6 的上方发射离子束4A 4D。驱动台移动离子枪(未示出)，由此，如图2B所示，可以在离 子束位置4a 4d及其内部的任何位置上发射离子束4A 4D。即，离子束4A 4D通过驱 动台扫描可加工区域3，并且，离子束4A 4D在可加工区域3的范围中加工光学元件1。如图3A和图3B所示，作为工件的光学元件1被安装于工件台6上。虽然光学元 件1的光学有效区域2是要加工区域，但是光学有效区域2比可加工区域3大。因此，首 先，使离子束4的可加工区域3与光学有效区域2的第一分割区域11对准，并且，通过离子 束4的扫描加工第一分割区域11。随后，如图4A和图4B所示，光学元件1沿由箭头Rl表 示的方向在工件台6上分步移动，然后，第二分割区域12被加工。并且，如图5A和图5B所 示，光学元件1沿由箭头R2表示的方向在工件台6上分步移动，然后，第三分割区域13被 加工。最终，如图6A和图6B所示，光学元件1沿由箭头R3表示的方向在工件台6上分 步移动，然后，第四分割区域14被加工。因此，整个光学有效区域2被加工。可通过简单地在工件台上分步移动光学元件1，加工整个光学有效区域2。因此， 加工装置的可加工区域3不受光学有效区域2的尺寸限制，因此可使得加工装置较小。光学有效区域2和可加工区域3分别被表示为矩形区域，但不限于该形状。并且， 光学有效区域2被分割成四个区域并被加工，但是，可被分割成包含第一分割区域和第二 分割区域的至少两个区域。分割区域的数量和分割区域的形状不限于上述。光学元件1如 箭头Rl R3所示的那样分步移动，但是，可以暂时从工件台6去除光学元件1并可重新将 其手动安装于不同的位置上，或者，可以设置用于移动光学元件1的专用机构。作为替代方 案，可以使用离子束以外的工具(加工单元)。通过移动离子枪(未示出)在可加工区域3 内移动(扫描)离子束4，但是，作为替代可以移动光学元件1，或者，可以移动离子枪和光 学元件1两者。图7A 7C示出变型。如图7A所示，光学元件21的光学有效区域22是旋转对称 形状。如图7B所示，通过包含旋转对称形状的旋转对称轴(中心轴)27的平坦表面28，将 光学有效区域22分割成多个区域。结果，如图7C所示，通过穿过旋转对称轴27的分割线 25，光学有效区域22被分割。如图8A和图8B所示，穿过旋转对称轴27的分割线25是将 光学有效区域22分割成四个分割区域31 34的两个相互正交的线。图9A和图9B示出光学元件21被安装于加工装置上的状态。光学元件21被安装 于工件台26上，并且，从上方发射离子束24。通过驱动台(未示出)扫描离子束24，以在 可加工区域23的范围中加工要加工的物体。光学有效区域22是要加工的区域，但光学有效区域22比可加工区域23大。光学元件21沿由箭头R4表示的方向在工件台26上旋转。 光学元件21依次对于各分割区域旋转90°以执行对准，并且通过离子束24被加工。通过 类似地加工所有的分割区域，加工整个光学有效区域22。因此，可通过简单地在工件台上旋 转光学元件21加工整个光学有效区域22。加工装置的可加工区域23不受光学有效区域 22的尺寸限制，并由此可使得加工装置较小。分割线25被示为两个相互正交的线，但是，分割线的数量和分割线之间的角度不 限于此。可以暂时从工件台26去除光学元件21并可重新手动旋转和安装它，或者，可以设 置用于旋转光学元件21的专用机构。光学有效区域22具有旋转对称形状的全部，但是也 可以是旋转对称形状的一部分。可以沿相反的方向旋转光学元件21，并且旋转角度可以不为90°。作为离子束24 的替代，可以使用另一工具。通过移动离子枪(未示出)在可加工区域23内移动(扫描) 离子束24，但是，作为替代可以移动光学元件21，或者，可以移动离子枪和光学元件21两
者ο图IOA和图IOB示出在图IA IG所示的可加工区域3中沿扫描路径40光栅扫 描离子束4的状态。光栅扫描是通过逐渐移动线来往复重复线扫描直到希望的表面被扫描 的扫描模式。如图IOA所示，光栅扫描需要连接在线之间的台阶部分(st印section)41以 形成其形状。光学有效区域2比能够扫描离子束4的可加工区域3大，因此，光学有效区域 2被分割成多个区域以加工整个表面。线部分对于通过光栅扫描获得希望的加工形状是重 要的。台阶部分41遭受意外的去除并且加工精度劣化。因此，通常，如图IOB所示，台阶部 分41被设置在光学有效区域2外面。但是，加工精度由于设置在光学有效区域2中的台阶 部分42而劣化。为了防止这一点，在光学有效区域2内的台阶部分42中，离子束4的照射 停止或者照射量减小以消除或减少台阶部分42的影响。因此，可以维持光学有效区域2的 加工精度。为了在光学有效区域2内的台阶部分42中停止照射或减少照射量，束状工具或喷 射状工具是有效的。通过使离子枪进行扫描来光栅扫描离子束4，但是，也可以扫描光学元 件1，或者，可以扫描离子枪和光学元件1两者。当在光学有效区域2内的分割区域之间的边界部分中，扫描路径与分割线相交 时，使得扫描继续，直到离子束的中心到达分割线。由此，即使在分割区域之间的边界部分 中也可使加工精度保持高的精度。当扫描路径与分割线平行时，以束的中心到分割线的距 离等于束直径的一半并且束的中心位于内侧的方式执行扫描。换句话说，以束的外径位于 分割线上的方式执行扫描。由此，即使在分割区域之间的边界部分中也可使加工精度维持 在高的精度。〈例子〉如图IlA和图IlB所示，向作为光学元件的凸透镜101发射具有比光学有效区域 102小的可加工区域(加工区域)103的离子束104，以加工光学有效区域102的形状。光 学有效区域102如后面描述的那样被分割成四个分割区域111 114。加工凸透镜101的 离子束104沿扫描路径140扫描四个分割区域111 114中的每一个。凸透镜101的外径 为225mm，光学有效区域102的直径为200mm，并且，凸透镜101的半径为200mm。扫描路径 140用于光栅扫描。在光学有效区域102内的连 于光栅扫描的线之间的台阶部分142中，停止离子束104的照射。图12示出加工装置。凸透镜101被安装于工件台106上，使得其光学表面沿-Z方 向取向。旋转机构被设置于工件台106中以可沿Z轴旋转。使得凸透镜101的中心轴与工 件台106的旋转轴匹配。离子枪121被设置在面向凸透镜101的位置中。从离子枪发射离 子束104。离子枪121被设置在五个轴台上负责水平移动的X台122和Y台123 ；负责垂 直移动的Z台124 ；和两个旋转机构绕X轴的旋转机构125和绕Y轴的旋转机构126，所有 这些使得能够实现三维操作。为了使得加工过程稳定化并提供高精度加工，总是保持离子 枪121和凸透镜101之间的恒定距离，并且，总是垂直地向凸透镜101发射离子束104。工 件台106侧和离子枪121侧在框架127中被一体化。整个装置容纳于真空室128中以使整 个加工环境保持在高真空中。首先，加工分割区域111 114中的第一分割区域。此时，X方向的加工区域为从 凸透镜101的中心起的沿+X方向的一半。加工装置所需要的X台驱动区域为从图13A所 示的位置到图13B所示的位置的范围。在此时加工的凸透镜101中，所需要的X台的总长 为500mm。类似地，沿Y方向，加工区域为从凸透镜101的中心起的沿+Y方向的一半，并且 所需要的Y台的总长为500mm。然后，工件台106绕Z轴旋转90 °，并且，如图14A和图14B所示，加工邻近第一加 工分割区域111的分割区域112。在该加工中，扫描路径是与加工分割区域111时使用的扫 描路径相同的扫描路径140，并且，加工装置所需要的XY台驱动区域也与加工分割区域111 时使用的相同。随后，类似地加工分割区域113和114，并完成整个光学有效区域102的加工。在台阶部分142中，停止离子束104的照射。因此，在分割区域的连接部分中不出 现过加工或欠加工，并实现很好的形状精度。出于比较的目的，描述通过常规技术加工光学元件101的情况。如图15所示，在不 分割光学有效区域102的情况下通过沿扫描路径150进行光栅扫描，一次加工凸透镜101。 结果，加工装置所需要的台驱动区域增加。在这种情况下，如图16所示，加工装置的X台 222和Y台223需要更大的驱动区域。工件台206、Z台224、绕X轴和Y轴的旋转机构225 和226以及框架227与图12所示的加工装置的相同。在该配置中，X台222需要覆盖整个 加工范围的驱动区域。为了加工凸透镜101，X台222需要800mm的总长，Y台223类似地 需要800mm的总长。当考虑XY台表面时，一次加工光学有效区域的常规例子需要800mmX800mm的区 域，而加工分割区域的本实施例需要500mmX 500mm的区域。S卩，面积比减小约60%，并由此
使得加工装置大大变小。作为离子束的替代，可以使用电子束、激光束、磁性流体、磁性流体喷射、液体 喷射、等离子喷射、抛光垫、研磨砂轮和EEM(弹性发射机械加工(Elastic Emission Machining))工具等。考虑需要在台阶部分中停止或减小加工能力，基于束的工具和基于喷 射的工具是特别合适的。扫描路径使得直线与直线正交连接并且扫描依次从外缘前进到内 缘，但是扫描可以是光栅扫描、螺旋扫描或沿自由曲线的扫描。光学元件被示为矩形平行六 面体，并且光学有效区域被示为矩形平坦表面，但是，光学元件可为诸如锥体和球体的任意 形状，并且，光学有效区域还可是诸如球形、非球形和自由形式表面形状的各种形状。光学元件由金属、玻璃或树脂制成，并且，光学有效区域用作反射镜和可透过透镜(permeable)寸。 虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性 实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这些变型以及等同的结构 和功能。
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权利要求
一种光学元件加工方法，在该光学元件加工方法中，通过扫描比光学元件的光学有效区域小的加工区域的加工单元加工光学元件的光学有效区域，该光学元件加工方法包括通过分割线将光学有效区域至少分割成第一分割区域和第二分割区域；使第一分割区域与加工单元的加工区域对准；通过利用加工单元的扫描加工对准的第一分割区域；使第二分割区域与加工单元的加工区域对准；和通过加工单元的扫描加工对准的第二分割区域。
2.根据权利要求1的光学元件加工方法，其中，光学元件的表面利用离子束被加工。
3.根据权利要求2的光学元件加工方法，其中，利用加工单元的扫描是光栅扫描，并且，其中，对于线部分和台阶部分配置光栅扫描，并且，在台阶部分中，离子束的照射停止 或离子束的照射量减少。
全文摘要
本申请涉及光学元件加工方法。防止整个加工装置的尺寸由于被加工的光学元件的光学有效区域的尺寸而变大。光学元件的光学有效区域被分割线分割成多个分割区域，并且，各分割区域依次与离子束的可加工区域对准。通过对于所有分割区域中的各分割区域重复利用离子束的光栅扫描的过程，加工整个光学有效区域。可通过减小离子束的扫描范围使得整个加工装置变小。
文档编号B23K15/00GK101905374SQ20101019441
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月1日 优先权日2009年6月5日
发明者沼田敦史 申请人:佳能株式会社