CN103111629B - 一种使用金刚石车床加工金属反射镜的方法 - Google Patents

一种使用金刚石车床加工金属反射镜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，采用干涉仪检测被加工金属反射镜面形，得到被加工金属反射镜面形相对于设计要求面形的偏差，并用Zernike多项式描述面形偏差。在该面形偏差图上选取一条过被加工金属反射镜旋转中心的直线，然后按一定的步距等间距地在这条直线上选取一系列的偏差点，再用这些点形成金刚石车床所需的输入文件，并指导金刚石车床进行金属反射镜面形精密加工。本发明摒弃了金刚石车床加工中常规的接触式测量法提取过心面形偏差数据，通过干涉仪测量数据来指导金刚石车床加工金属反射镜的加工，对于相关的光学加工具有很好的使用价值。特别是对于质地较软、中心开孔的金属镜加工指导意义更加显著。

Description

一种使用金刚石车床加工金属反射镜的方法
技术领域
本发明涉及光学检测和光学加工领域，尤其涉及一种金属反射镜的加工方法。
背景技术
光学测量和光学加工是当今世界上比较活跃的两个科技领域，金刚石车床是目前常用的高精度金属镜加工设备，其加工工艺往往涉及到光学测量和光学加工这两个领域。在很多情况下，金刚石车床加工金属镜都是通过设置初设参数，包括顶点曲率，k因子，口径等，来进行光学面初始加工，然后通过接触式(如轮廓仪)方法测量被加工面相对设计要求面的偏差，反馈指导金刚石车床进行精加工。这种常规的接触式加工方法，往往在光学面成形后就不宜再进行接触式检测了，使得加工后的面形具体好坏难以确定，并且在一些特殊的情况下，如加工材料质地较软时，接触式测量的探针会将材料划开，并且在探针上积累金属屑末，严重影响测量精度。再如，加工中心开孔的工件时，如何判断探测是否过旋转中心就比较困难了。为了更好的利用金刚石车床加工高面形精度的金属反射镜，开展相关非接触式测量方法的研究，来反馈指导金刚石车床加工是很有必要的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种通过干涉仪指导金刚石车床加工金属反射镜的方法，用于指导金刚石车床加工，特别是一些质地较软、中心开口的金属反射镜。
为了实现所述目的，本发明提供一种使用金刚石车床加工金属反射镜的方法的技术方案为：采用金刚石车床对被加工金属反射镜进行初加工，再通过干涉仪检测被加工金属反射镜面形，得到被加工金属反射镜面形相对于设计要求面形的偏差，并用Zernike多项式描述面形偏差，最后在该面形偏差图上选取多个点来指导金刚石车床进行金属反射镜面形精密加工；该方法具体包括：
步骤S1：金刚石车床先通过设置初始面形参数，来对被加工金属反射镜光学面进行初始加工；所述初始面形参数包括顶点曲率、k因子；
步骤S2：采用干涉仪检测被加工金属反射镜工件面形，得到被加工金属反射镜工件初始面形；
步骤S3：将测量并提取出初始面形数据，计算初始面形相对于设计要求金属反射镜面形的偏差并形成面形偏差图，并用Zernike多项式描述面形偏差；
步骤S4：在面形偏差图上选取一条过被加工金属反射镜旋转中心的直线，按设定的步距在这条直线上选取多个偏差点；
步骤S5：将选取出来的偏差点生成指导文件，指导金刚石车床对被加工金属反射镜面形进行精密加工，得到加工后的被加工金属反射镜；
步骤S6：重复步骤S1～S5，直至得到满足设计要求的金属反射镜。
其中，所述金刚石车床具有控制单元，在金刚石车床的控制单元中设置被加工金属反射镜工件的初始面形参数，使金刚石车床对被加工金属镜工件的光学面进行初始加工，得到被加工金属反射镜面形。
其中，所述金刚石车床为单点式金刚石车床。
其中，所述形成面形偏差图的步骤为：先将干涉仪测量得到的初始面形数据转化为初始面形矩阵形式，再用初始面形矩阵与设计要求金属反射镜的面形矩阵作差，计算得到初始面形相对于设计要求金属反射镜面形的偏差并形成面形偏差图。
其中，所述选取一条过被加工金属反射镜旋转中心的直线，与X轴之间的夹角为方位角，所述方位角为0度。
其中，所述设定的步距为50nm的整数倍，且介于被加工金属反射镜工件的口径的1/50,000至1/100,000之间，被加工金属反射镜口径需大于1mm。
其中，所述偏差点生成指导文件是将选取的多个偏差点按金刚石车床控制单元所需的输入文件的格式进行编排，形成指导金刚石车床进行精密加工的文件。
其中，所述干涉仪的测量标称精度应不小于0.05λ，波长λ为632.8nm。
其中，所述Zernike多项式采用ISO格式。
其中，所述的面形偏差图采用圆柱坐标的表达形式，圆柱坐标中的方位角和径向距离用来唯一代表被加工金属反射镜面上的点，纵坐标代表被加工金属反射镜面上的点相对设计要求金属反射镜面形的失高偏差。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供通过干涉仪指导金刚石车床精加工金属反射镜的方法，采用干涉仪检测被加工金属反射镜面形，得到被加工金属反射镜面形相对于设计要求面形的偏差，并在该面形偏差图上选取一系列点，对金刚石车床进行金属反射镜面形精密加工进行了指导。
2、本发明提供通过干涉仪指导金刚石车床精加工金属反射镜的方法，脱离了金刚石车床加工中常规的接触式测量法提取过心面形偏差数据，对于质地较软、中心开孔的金属镜加工指导意义十分显著。
3、本发明提供通过干涉仪指导金刚石车床精加工金属反射镜的方法，对于工程、实验相关的光学加工，方法简单、可行，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明提供的加工系统示意图；
图2为本发明提供的通过干涉仪指导金刚石车床加工金属反射镜的方法流程图；
图3为本发明提供的被加金属反射镜初始面形的测量结果图样；
图4为本发明提供的被加金属反射镜面形相对于设计要求的3D面形偏差图；
图5为本发明中具体实施例中选取的一条过旋转中心的直线图样；
图6为通过本发指导加工后的被加工金属反射镜面形测量结果的图样。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的核心思想是：采用干涉仪检测被加工金属反射镜面形，得到被加工金属反射镜面形相对于设计要求面形的偏差，并用Zernike多项式描述面形偏差，然后在该面形偏差图上选取一系列点来指导金刚石车床进行金属反射镜面形精密加工。
本发明通过干涉仪指导金刚石车床加工金属反射镜的方法的具体实施例是通过图1示出由Taylor-Hobson ULtraform250金刚石车床B1、被加工金属反射镜B2、FISBA干涉仪B3、数据处理计算机B4组成的加工系统，其中Taylor-Hobson ULtraform250金刚石车床B1用来加工被加工金属反射镜B2，FISBA干涉仪B3用来检测被加工金属反射镜B2经过加工后的面形，数据处理计算机B4用来将干涉仪B3的测量结果转化为Taylor-Hobson ULtraform250金刚石车床B1的加工指导数据。如图2示出具体实施步骤如下：
步骤S1：金刚石车床先通过设置初始面形参数，来对被加工金属反射镜光学面进行初始加工；
将设计的被加工金属反射镜B2的初始面形设计参数存储到Taylor-Hobson ULtraform250金刚石车床B1的控制单元中，控制单元中的内置曲线程序对被加工金属反射镜B2的光学面进行初始加工，得到初始加工后的被加工金属反射镜B2。初始面形参数含有顶点曲率半径、K因子、口径、各级次非球面系数等，本例中面形参数为：标准球面，曲率半径52mm，口径80mm。
步骤S2：采用干涉仪检测被加工金属反射镜工件面形，得到被加工金属反射镜工件初始面形；
将初始加工后的被加工金属反射镜B2放置于干涉仪B3的检测平台上，图例中被加工金属反射镜B2为球面反射镜，调节被加工金属反射镜B2的位置，使被加工金属反射镜B2的球心与FISBA干涉仪B3的物镜前焦点重合，既可进行面形检测得到的干涉条纹，生成被加工金属反射镜B2的初始面形。如果被加工金属反射镜B2为其他复杂面形时，则需额外设计检测光路，并添加相应的补偿镜、标准镜，本例中被加工金属反射镜B2的初始面形PV：3.7λ，图3a-图3c为示例结果，图3a为波相差测量结果的2D显示，图3b为波相差测量结果的3D显示，图3c为FISBA干涉仪B3上CCD相机实时成像的干涉条纹，干涉仪FISBA干涉仪B3测量显示的波相差为面形偏差的2倍，因为反射式面形测量中光线两次历经被测面上面形偏差，反射光和参考光之间的波相差为面形偏差的2倍。
步骤S3：将测量并提取出初始面形数据，计算初始面形相对于设计要求金属反射镜面形的偏差并形成面形偏差图，并用Zernike多项式描述面形偏差；
将步骤S2检测得到被加工金属反射镜B2的初始面形转化为矩阵形式，再用初始面形矩阵与设计要求金属反射镜的面形矩阵作差，计算得到初始面形相对于设计要求金属反射镜面形的偏差并形成面形偏差图，并用Zernike多项式描述面形偏差并形成面形偏差图。并用ISO格式Zernike多项式表述，表1为ISO格式Zernike多项式表述示例图样。
工金属反射镜面形的Zernike多项式系数
表1中数据单位为nm，zero行的C0是指零阶项系数、2nd行的C1～C3指2阶项系数、4th行的C4～C8指4阶项系数、6th行的C9～C15指6阶项系数、8th行的C16～C24指8阶项系数、10th行的C25～C35指10阶系数。
Zernike多项式的具体表达式可以参见表2：
阶数 n m 系数 各项表达式
0 0 0 C0 1
2 1 1 C1 ρcosΦ
C2 ρsinΦ
2 0 C3 2ρ2-1
4 2 2 C4 ρ2cos2Φ
C5 ρ2sin2Φ
3 1 C6 (3ρ2-2)ρcosΦ
C7 (3ρ2-2)ρsinΦ
4 0 C8 6ρ4-6ρ2+1
6 3 3 C9 ρ3cos3Φ
C10 ρ3sin3Φ
4 2 C11 (4ρ2-3)ρ2cos2Φ
C12 (4ρ2-3)ρ2sin2Φ
5 1 C13 (10ρ4-12ρ2+3)ρ2cosΦ
C14 (10ρ4-12ρ2+3)ρ2sinΦ
6 0 C15 20ρ6-30ρ4+12ρ2-1
8 4 4 C16 ρ4cos4Φ
C17 ρ4sin4Φ
5 3 C18 (5ρ2-4)ρ3cos3Φ
C19 (5ρ2-4)ρ3sin3Φ
6 2 C20 (15ρ4-20ρ2+6)ρ2cos2Φ
C21 (15ρ7-20ρ4+6)ρ2sin2Φ
7 1 C22 (35ρ6-60ρ4+30ρ2-4)ρcosΦ
C23 (35ρ6-60ρ4+30ρ2-4)ρsinΦ
8 0 C24 70ρ8-140ρ6+90ρ4-20ρ2+1
10 5 5 C25 ρ5cos5Φ
C26 ρ5sin5Φ
6 4 C27 (6ρ2-6)ρ4cos4Φ
C28 (6ρ2-6)ρ4sin4Φ
7 3 C29 (21ρ4-30ρ2+10)ρ3cos3Φ
C30 (21ρ4-30ρ2+10)ρ3sin3Φ
8 2 C31 (56ρ6-105ρ4+60ρ2-10)ρ2cos2Φ
C32 (56ρ6-105ρ4+60ρ2-10)ρ2sin2Φ
9 1 C33 (126ρ8-280ρ6+210ρ4-60ρ2+5)ρcosΦ
C34 (126ρ8-280ρ6+210ρ4-60ρ2+5)ρsinΦ
10 0 C35 252ρ10-630ρ8+560ρ6-210ρ4+30ρ2-1
表2描述了Zernike多项式的各阶项表达式，其中ρ表示圆柱坐标中的极径，Φ表示圆柱坐标中的极角。(ρ1，Φ1)点的面形偏差具体为： Zernike ( ρ 1 , Φ 1 ) = Σ i = 0 35 Ci (各项表达式)。
面形偏差图的Zernike多项式表达中的极角和极径，唯一代表被加工金属反射镜B2的面上的点，纵坐标代表该点相对设计要求面形的失高偏差。图4为本例提供的被加工金属反射镜B2的3D面形偏差，X、Y轴代表被加工金属反射镜B2的尺寸，在FISBA干涉仪B3软件上显示的量纲为像素，具体可以通过成像关系转化为被加工金属反射镜B2的实际尺寸，Z轴代表被加工金属反射镜B2面形相对于设计值的偏差量，量纲为波长。
步骤S4：在面形偏差图上选取一条过被加工金属反射镜旋转中心的直线，按设定的步距在这条直线上选取多个偏差点；
在上述面形偏差图中，选取一条过旋转中心的直线，本例中选取方位角0度的过心直线(图5为选取得到的过心直线示例图样)，然后依据被加工金属反射镜B2的口径设定一个步距*(下文说明)，按该步距等间距的在过心直线上选取一系列偏差点。图5中X轴为被加工金属反射镜B2的径向尺寸，量纲为像素，可以通过成像关系转化为实际尺寸；Y轴为面形偏差，量纲为微米。
所述步距的大小要结合金刚石车床的控制单元中的面形修改输入文件格式来设定，一般来说需要的采用点数为50,000～100,000点，步距的设定值的数学描述为：50nm的整数倍，且介于被加工金属反射镜工件的口径的1/50,000至1/100,000之间。
步骤S5：将选取出来的偏差点生成指导文件，指导金刚石车床对被加工金属反射镜面形进行精密加工，得到加工后的被加工金属反射镜；将选取出的偏差点，按金刚石车床的控制单元中的面形修改输入文件格式进行编辑，包括数值表达形式(如五位有效数值科学记数法)、分隔符、排列形式等，并加入特定的文件头、文件尾，形成金刚石车床的面形修改输入文件，指导金刚石车床进行精加工。
步骤S6：如果加工后的被加工金属反射镜B2的面形尚不满足要求，可重复上述步骤S1～S5，直至满足要求，实现通过干涉仪对金刚石车床精加工金属反射镜的指导。本例通过指导，最终被加工金属反射镜B2的面形到达PV：0.64λ(见图6a、图6b、图6c)，图文与图3类似，在此不做赘述。
提供一种通过干涉仪指导金刚石车床精加工金属反射镜的方法，通过采用干涉仪检测被加工金属反射镜面形，得到被加工金属反射镜面形相对于设计要求面形的偏差，并在该面形偏差图上选取一系列点，对金刚石车床进行金属反射镜面形精密加工进行了指导。这种方法简单、可行，对于工程、实验相关的光学加工，具有很好的实用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：采用金刚石车床对被加工金属反射镜进行初加工，再通过干涉仪检测被加工金属反射镜面形，得到被加工金属反射镜面形相对于设计要求面形的偏差，并用Zernike多项式描述面形偏差，最后在面形偏差图上选取多个点来指导金刚石车床进行金属反射镜面形精密加工；该方法具体包括：
步骤S1：金刚石车床先通过设置初始面形参数，来对被加工金属反射镜光学面进行初始加工；
步骤S2：采用干涉仪检测被加工金属反射镜工件面形，得到被加工金属反射镜工件初始面形；
步骤S3：将测量并提取出初始面形数据，计算初始面形相对于设计要求金属反射镜面形的偏差并形成面形偏差图，并用Zernike多项式描述面形偏差；
步骤S4：在面形偏差图上选取一条过被加工金属反射镜旋转中心的直线，按设定的步距在这条直线上选取多个偏差点；
步骤S5：将选取出来的偏差点生成指导文件，指导金刚石车床对被加工金属反射镜面形进行精密加工，得到加工后的被加工金属反射镜；
步骤S6：重复步骤S1～S5，直至得到满足设计要求的金属反射镜。
2.如权利要求1所述使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：所述金刚石车床具有控制单元，在金刚石车床的控制单元中设置被加工金属反射镜工件的初始面形参数，使金刚石车床对被加工金属镜工件的光学面进行初始加工，得到被加工金属反射镜面形。
3.如权利要求1所述使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：所述金刚石车床为单点式金刚石车床。
4.如权利要求1所述使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：所述形成面形偏差图的步骤为：先将干涉仪测量得到的初始面形数据转化为初始面形矩阵形式，再用初始面形矩阵与设计要求金属反射镜的面形矩阵作差，计算得到初始面形相对于设计要求金属反射镜面形的偏差并形成面形偏差图。
5.如权利要求1所述的使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：所述设定的步距为50nm的整数倍，且介于被加工金属反射镜工件的口径的1/50,000至1/100,000之间，被加工金属反射镜口径需大于1mm。
6.如权利要求1所述使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：所述偏差点生成指导文件是将选取的多个偏差点按金刚石车床控制单元所需的输入文件的格式进行编排，形成指导金刚石车床进行精密加工的文件。
7.如权利要求1所述使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：所述干涉仪的测量标称精度应不小于0.05λ，波长λ为632.8nm。
8.如权利要求4所述使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：所述Zernike多项式采用ISO格式。
9.如权利要求4所述使用金刚石车床加工金属反射镜的方法，其特征在于：所述的面形偏差图采用圆柱坐标的表达形式，圆柱坐标中的极角和极径用来唯一代表被加工金属反射镜面上的点，纵坐标代表被加工金属反射镜面上的点相对设计要求金属反射镜面形的失高偏差。
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