能修除光學元件局部誤差的離子束極軸加工方法

2023-07-16 04:49:41

專利名稱：能修除光學元件局部誤差的離子束極軸加工方法
技術領域：
本發明屬於光學元件的離子束加工領域，尤其涉及一種光學元件的離子束極軸加工方法。
背景技術：
光學鏡面離子束加工方法利用離子濺射效應從原子尺度去除材料，利用近高斯束流入射
工件形成近高斯分布的去除函數，再基於光學鏡面成型(ccos)原理對鏡面誤差進行確定性
修正，具有高精度、高確定性、非接觸無磨損和無邊緣效應等特徵。但離子朿加工材料去除 原理決定了整個加工過程必須在真空環境中完成，此決定了離子束加工系統構建複雜，使用
維護費用高。
離子束加工方法一般採用xy線性掃描方式對鏡面任意形態誤差進行修除，從而加工運動 系統的運動行程必須與鏡面尺度相當，加工大鏡面必須構建大系統。也可以利用極軸運動方 式修除鏡面誤差，同時將運動行程降低為線性運動的一半。現有的極軸運動方式僅僅能夠修 除鏡面的M轉對稱誤差，這限制了其在工藝中的應用，不能夠從根本上降低運動系統的要求。 現有的極軸運動加工方法之所以不能夠修除鏡面的局部誤差源於該類方法首先就假設鏡面的 誤差具有迴轉對稱特性，且加工時鏡面的迴轉運動和離子源的線性運動不能夠反映鏡面的局 部特徵。所以要利用極軸運動修除鏡面任意形態的誤差必須拋棄原始假設，對加工系統的運 動進行改進以便能夠反映鏡面局部特性。
本發明主要解決的技術問題是拋棄現有極軸加工方式建模過程中對鏡面僅僅具有迴轉對 稱誤差的假設，建立能夠反映光學鏡面真實誤差的模型，同時在加工工藝中控制離子束加工 系統的運動速度和路徑規劃方式以反映光學鏡面的局部特性，得到一種能修除光學元件局部 誤差的離子束極軸加工方法。
為解決上述問題，本發明提出技術方案為種能修除光學元件局部誤差的離子束極軸加 丁方法，包括以下歩驟
(1) 實驗獲取去除函數應用修形工藝過程進行去除函數實驗獲取去除函數，記為&
(2) 去除函數的迴轉對稱處理首先利用高斯函數對去除函數進行擬合分析以確定去除
函數的最優迴轉對稱中心，確定最優迴轉對稱中心的計算公式為

發明內容
4式(1)中，J為擬合後去除函數的寬度參數(去除函數的寬度為6a)， ^為擬合後去除 函數峰值去除率，&、 ^為去除函數偏心參數，JC， ^為位置坐標分量；
然後以最優迴轉對稱中心作為去除函數中心對去除函數進行迴轉對稱處理，以獲取建模 用去除函數A (p)，其矩陣形式記為及(進行離散後得到)，迴轉對稱處理的計算式為
,)=^J^'(W), (2)
式(2)中，/)為極軸坐標的半徑，伊為極軸坐標的角度，W'-i^〔jc-^，y-^〕；
(3) 獲取面形誤差函數通過波面幹涉儀測量待加工元件全口徑內的面形誤差數據，並 進行消除趨勢、定心和邊緣確定等處理，測量結果記為E;
(4) 建立成型模型和計算駐留時間密度分布通過以上對去除函數的迴轉對稱處理，忽 略去除函數的非迴轉對稱特性對成型的影響，以將成型過程線性化，根據計算機控制光學成
型(ccos)原理建立建模用去除函數矩陣及、面形誤差矩陣五和駐留時間矩陣r之間的關
係為
￡ = / r (3)
式(3)中，O表示巻積運算；
根據獲取的建模用去除函數W和待加工光學鏡面的面形誤差函數E，利用現有的諸如脈
衝迭代方法或者貝葉斯(Bayesian)迭代方法求解式(3)中的駐留時間矩陣r，並將直角坐
標系中的駐留時間r Oc,"轉換到極坐標中得到極坐標系中的駐留時間r (P");
(5) 阿基米德路徑中的駐留時間求解選取合適的螺距^ a大於o且小於去除函數寬
度的1/6)生成阿基米德螺旋路徑(如圖1所示)，阿基米德路徑極軸半徑p與極角0之間的 關係為
yO = /W (4)
根據極角6的離散間隔必(r附x必應小於去除函數寬度的六分之一，其中nw為待加工 元件的半徑)計算待加工元件的鏡面上每一個離散扇形區域駐留時間f 根據計算出的
區域駐留時間r 再計算出任意環帶/上的環帶總駐留時間r,， / 和r,的計算公式
分別為
formula see original document page 5) (6)
(6) 螺距的調整判斷任意環帶總駐留時間r,是否小於離子束加工系統以最大旋轉速
度運動一圈的時間Tc，如果K小於rc，則增大此環帶的螺距fc直至該環帶總駐留時間等於或大於7;;如果r,大於或等於rc，則直接轉入步驟(7);
(7) 離子束的數控修形加工計算離子束修形加工中鏡面上任意離散扇形區域處鏡面回 轉運動和離子源線性運動的合成運動速度V (p")，計算式為
禱^R ( )
根據扇形阿基米德螺線離散信息/>=秘以及各離散扇形區域的合成運動速度^ (A 0)生 成控制光學元件迴轉和離子源線性運動的數控代碼，再進行離子束的數控修形加工；
(8) 對數控加工後的元件再次進行面形誤差測量，記為￡7，若面形精度^不滿足精度 要求則轉至步驟(4)並以^代替E計算駐留時間，重複步驟(4) ~ (7)直至滿足待加工元 件的面形精度要求。
與現有技術相比，本發明的優點在於針對離子束加工中去除函數具有近高斯分布的特 性，在尋找去除函數最優迴轉中心的基礎上，對去除函數進行迴轉對稱化處理，將極軸加工 方式近似用線性巻積模型表達，進而用常規的線性掃描法解決駐留時間密度函數的確定問題。 通過引入反映面形誤差和駐留時間二維特性的變速度實現方法，從而克服傳統極軸加工方式 不能對鏡面的非迴轉對稱誤差進行誤差修正的缺陷。此外，本發明還通過改變加工路徑中的 螺距策略，既有效解決了駐留時間值很小或者極軸半徑很小時系統的運動速度過大問題，又 不增大總的加工時間，保證了加工效率。
本發明工藝利用高穩定性和確定性的離子束加工方法及分極軸加工方式，在現有較小的 加工系統中能實現大口徑光學元件鏡面的加工，降低了鏡面尺寸對加工系統尺寸的要求，以 充分挖掘現有光學加工設備的加工潛力，節約加工成本，對光學加工設備的性能提升具有重 要意義。


圖1為本發明的阿基米德螺線離散示意圖； 圖2為本發明實施例中去除函數測量結果分布圖； 圖3為本發明實施例中經迴轉對稱處理後的去除函數分布圖； 圖4為本發明實施例中待加工鏡面的初始面形誤差數據圖； 圖5為本發明實施例中的駐留時間密度函數分布圖； 圖6為本發明實施例中鏡面修形後的面形誤差數據圖； 圖7為本發明實施例中鏡面修形前的加工預測面形圖。
具體實施方式
實施例
6本實施例的離子束拋光工藝在一臺離子束拋光設備(可選用KDIFS-500型)上進行，工 藝參數設置為工作氣體為氬氣，工作真空0.8x10—2Pa，離子能量1100eV，束電流25mA。 被拋光的試驗工件為直徑100mm的普通微晶玻璃。
通過下述方法歩驟對上述的微晶玻璃進行離子束拋光
1、 確定去除函數應用上述離子束拋光工藝過程進行去除函數試驗，獲取的去除函數記
為A (XjO，其分布如圖2所示；
2、 去除函數的迴轉對稱處理根據歩驟1中獲取的去除函數，對去除函數進行尋找最優
迴轉中心以及迴轉對稱處理，迴轉對稱處理中各項參數的值為^4=0.0056 nm/s， <r=5.9mm， &c =0.5mm、々=0.34mm，迴轉對稱處理後的W的分布如圖3所示；
3、 利用波面幹涉儀測量待加工鏡面的初始面形誤差E，其分布如圖4所示；
4、 根據處理後的去除函數矩陣/ 和初始面形誤差矩陣E，利用Bayesian迭代算法計算 加丁所用駐留時間密度函數，並轉換到鏡面的極坐標中得到T (p")，駐留時間密度函數分布 如圖5所示；
5、 阿基米德路徑中的駐留時間求解選取[7,ll)mm、 [ll,17)mm和[17,oo)mm環帶內的螺 距分別為4mm、 2mm和lmm，選取極角離散間隔為1。對鏡面進行阿基米德螺線離散，計算 每一離散扇形區域的駐留時間/和環帶駐留時間r,，分析表明，T,均大於以100/9轉每秒最大
轉速運動一圈的時間i; (rc=5.4s);
6、 計算離子束加工中鏡面上任意離散扇形區域處鏡面迴轉運動和離子源線性運動的合成
運動速度v，結合扇形離散信息生成數控代碼，輸入到上述的離子束拋光設備中，再對鏡面
進行離子束數控修形加工；
7、 對上述數控加工後的元件再次進行面形誤差測量，測量結果如圖6所示，均方根精度 為0.009波長(一個波長為632.8nm)，滿足本實施例0.01波長的均方根精度要求。圖7為加 工預測結果分布圖(利用公式五-及⑧r進行預測)，兩者在面形結構上基本吻合。
上述加工結果表明，離子束螺旋路徑加工方法具有與全口徑掃描加工一樣的面形誤差修 形能力，且加工成本由於掃描運動機構的運動範圍減小(只有全口徑掃描的1/2)而大大縮減。 本發明所提出螺旋路徑加工方法由於保持了面形誤差和駐留時間的二維特徵，從而克服傳統 極軸方式不能對鏡面的非迴轉對稱誤差進行誤差修正的缺陷。極軸加工與普通的全口徑加工 一樣是一種高效率、高確定性的加工方法，能夠對鏡面進行精確修形，同時可以節約加工成 本。
權利要求
1、一種能修除光學元件局部誤差的離子束極軸加工方法，包括以下步驟(1)實驗獲取去除函數應用修形工藝過程進行去除函數實驗獲取去除函數，記為Rc(x，y)；(2)去除函數的迴轉對稱處理首先利用高斯函數對去除函數進行擬合分析以確定去除函數的最優迴轉對稱中心，確定最優迴轉對稱中心的表達式為式(1)中，σ為擬合後去除函數的寬度參數，A為擬合後去除函數峰值去除率，δx、δy為去除函數偏心參數，x，y為位置坐標分量；然後以最優迴轉對稱中心作為去除函數中心對去除函數進行迴轉對稱處理，以獲取建模用去除函數R(ρ)，其矩陣形式記為R，迴轉對稱處理的計算式為式(2)中，ρ為極軸的半徑，θ′為極軸的角度，(3)獲取面形誤差函數通過波面幹涉儀測量待加工元件全口徑內的面形誤差數據，並進行消除趨勢、定心和邊緣確定處理，測量結果記為E；(4)建立成型模型和計算駐留時間密度分布根據計算機控制光學成型原理建立建模用去除函數矩陣R、面形誤差矩陣E和駐留時間矩陣T之間的關係為式(3)中，表示卷積運算；利用迭代求解方法求解式(3)中的駐留時間矩陣T，並將直角坐標系中的駐留時間T(x，y)轉換到極坐標中得到極坐標系中的駐留時間T(ρ，θ)；(5)阿基米德路徑中的駐留時間求解選取螺距k生成阿基米德螺旋路徑，阿基米德路徑極軸半徑ρ與極角θ之間的關係為ρ＝kθ (4)根據極角θ的離散間隔dθ計算待加工元件的鏡面上每一個離散扇形區域駐留時間t(ρ，θ)，根據計算出的區域駐留時間t(ρ，θ)再計算出任意環帶i上的環帶總駐留時間Ti，t(ρ，θ)和Ti的計算公式分別為t(ρ，θ)＝T(ρ，θ)ρkdθ (5)(6)螺距的調整判斷任意環帶總駐留時間Ti是否小於離子束加工系統以最大旋轉速度運動一圈的時間Tc，如果Ti小於Tc，則增大此環帶的螺距k直至該環帶總駐留時間等於或大於Tc；如果Ti大於或等於Tc，則直接轉入步驟(7)；(7)離子束的數控修形加工計算離子束修形加工中鏡面上任意離散扇形區域處鏡面迴轉運動和離子源線性運動的合成運動速度v(ρ，θ)，計算式為根據扇形阿基米德螺線離散信息ρ＝kθ以及各離散扇形區域的合成運動速度v(ρ，θ)生成控制光學元件迴轉和離子源線性運動的數控代碼，再進行離子束的數控修形加工；(8)對數控加工後的元件再次進行面形誤差測量，記為E′，若面形精度E′不滿足精度要求則轉至步驟(4)並以E′代替E計算駐留時間，重複步驟(4)～(7)直至滿足待加工元件的面形精度要求。
2、 根據權利要求1所述的加工方法，其特徵在於所述駐留時間矩陣T的迭代求解方法為 脈衝迭代方法或者貝葉斯迭代方法。
3、 根據權利要求1所述的加工方法，其特徵在於所述極角0的離散間隔必滿足 小於建模用去除函數及寬度的六分之一，其中rm為待加工元件的半徑。
4、 根據權利要求1所述的加工方法，其特徵在於所述螺距A大於0且小於去除函數及寬 度的六分之一。
全文摘要
本發明公開了一種能修除光學元件局部誤差的離子束極軸加工方法，包括以下步驟首先通過實驗獲取去除函數，然後對去除函數進行迴轉對稱處理，再利用波面幹涉儀獲取元件的面形誤差函數，建立成型模型並計算駐留時間的密度分布，在阿基米德路徑中求解駐留時間，然後視情況調整螺距，並根據扇形阿基米德螺線離散信息以及各離散扇形區域的合成運動速度生成數控代碼，進行第一次數控修形加工，最後視情況重複一次以上的上述加工步驟直至滿足工件的精度要求。本發明的加工方法降低了鏡面尺寸對加工系統尺寸的要求，節約了加工成本，克服了傳統極軸加工方式不能對鏡面的非迴轉對稱誤差進行誤差修正的缺陷，保證了加工效率。
文檔編號C03C23/00GK101456681SQ200910042429
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月6日 優先權日2009年1月6日
發明者林 周, 戴一帆, 李聖怡, 焦長君, 解旭輝, 谷文華, 鄭子文 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學