CN103144004A - 气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法 - Google Patents

Abstract

气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法，涉及一种气囊抛光元件加工过程中控制边缘精度的方法，属于光学加工领域。解决现有光学元件加工过程中为解决的“边缘效应”而造成破坏主面精度的风险大、成本高和效率低的问题。获取待加工元件对应材料的边缘区域去除函数；建立待加工元件边缘区域去除函数库；根据抛光路径的间隙m和抛光气囊的压缩量f_i计算待加工元件边缘区域的宽度；提取相应的去除函数；设定边缘区域去除函数的驻留时间t_n；对待加工元件进行边缘区域的误差轮廓预测计算，获得待加工元件边缘区域的面形误差；评估面形误差；获取待加工元件边缘位置响应的去除函数的驻留时间值，生成抛光文件，执行抛光过程。本发明可广泛应用于大口径观雪元件的边缘精度控制加工过程。

Description

气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法

技术领域

本发明涉及一种气囊抛光元件加工过程中控制边缘精度的方法，属于光学加工领域。

背景技术

镜面边缘区域的加工是大口径光学元件加工过程中的难点，传统的光学加工技术以及计算机控制小尺寸工具加工技术对此都没有很好的解决办法。这是因为抛光工具对待加工元件边缘的非连续局部作用，导致待加工元件边缘区域的精度急剧下降。抛光工具若不伸出待加工元件边缘，边缘区域将产生翘边，若伸出待加工元件边缘则容易出现“塌边”。一旦出现“塌边”，整个加工过程就要从头开始，甚至被放弃，这被称为光学加工过程中的“边缘效应”。气囊抛光技术由于其抛光工具的复杂性，其“边缘效应”尤为显著，严重制约了大口径光学加工的精度和效率，是亟待解决的技术难点。根据可查阅的文献，目前，国内外大口径光学元件加工中，对边缘控制的处理常采用下述两种方法：一种是先抛光一块比设计尺寸略大的待加工元件，然后通过机械切割的方式去掉不满足精度的边缘区域，这种方式通常会在机械切割过程中破坏主面的精度，并且存在很大的风险，成本也较高；另一种方式是采用某种抛光方法(如应力盘加工)进行初加工，再利用例子束进行边缘修形，这种方式需要更换加工方法，且离子束抛光的效率很低，不适合大批量加工。

发明内容

本发明为了解决现有光学元件加工方法解决“边缘效应”过程中造成的破坏主面精度、风险大、成本高和效率低的问题，从而提供一种针对气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法。

气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法，它包括如下步骤：

步骤一：获取待加工元件对应材料的边缘区域去除函数；

步骤二：根据步骤一获得的边缘区域去除函数建立待加工元件边缘区域去除函数库，所述边缘区域去除函数库为根据抛光气囊的压缩量f_i和伸出量d_i一一对应的边缘区域去除函数；

步骤三：根据抛光路径的间隙m和抛光气囊的压缩量f_i计算待加工元件边缘区域的宽度；

步骤四：根据步骤三获取的待加工元件边缘区域的宽度、抛光路径的间隙m、抛光气囊的压缩量f_i和伸出量d_i从步骤二所述边缘区域去除函数库中提取相应的去除函数；

所述提取的边缘区域去除函数为其中i＝1，2....n，(x，y)为抛光区域内点的坐标；

步骤五：根据步骤四提取的边缘区域去除函数对待加工元件边缘设定边缘区域去除函数的驻留时间t_n；所述驻留时间t_n为抛光工具在待加工元件边缘区域所停留的时间；

步骤六：根据材料去除叠加原理对待加工元件进行边缘区域的误差轮廓预测计算，获得待加工元件边缘区域的面形误差，即边缘区域误差分布的方均根值E；

步骤七：评估步骤六获得的待加工元件边缘区域的面形误差是否达到加工要求；

即设待加工元件边缘区域的面形误差的加工要求为A：如果E＜A，或E＝A，则进入步骤八；如果E＞A，则返回步骤五重新设定驻留时间；

步骤八：获取待加工元件边缘位置响应的去除函数的驻留时间值，生成抛光文件，执行抛光过程。

所述步骤五中根据步骤四提取的对应的边缘区域去除函数对待加工元件边缘设定边缘区域去除函数的驻留时间的过程如下，其中该过程中边缘区域的误差分布为e₀(x，y)_edge，边缘区域误差分布的方均根值为E₀：

步骤五A：待加工元件边缘区域上的n个边缘区域去除函数设定驻留时间t_n，i＝1，2....n；

步骤五B：计算在步骤五A中的驻留时间下的边缘区域的误差分布e₀(x，y)_edge；

$e_0{(x,y)}_{\mathrm{edge}}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n\×r_i{(x+m\×i,y)}_{/f_i,d_i}$

步骤五C：计算步骤五B中待加工元件边缘区域误差分布的方均根值E₀；

E₀＝RMS[e₀(x，y)_edge]

步骤五D：设待加工元件边缘加工以前的误差为ε，计算残余误差σ；

σ＝|E₀-ε|

步骤五E：优化驻留时间变量t_n，使得步骤五D中的残余误差σ最小。

所述步骤六中根据材料去除叠加原理对待加工元件进行边缘区域的误差轮廓预测计算，获得待加工元件边缘区域的面形误差的方均根值E，其过程为：

步骤六A：抛光路径的间隙m，待加工元件边缘区域有n个边缘区域去除函数其中i＝1，2....n；f_i抛光气囊的压缩量，d_i为伸出量；那么待加工元件边缘区域的误差分布e(x，y)_edge由如下公式计算：

$e{(x,y)}_{\mathrm{edge}}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{(x+m\×i,y)}_{/f_i,d_i}$

步骤六B：计算待加工元件边缘区域误差分布的方均根值E

E＝RMS[e(x，y)_edge]。

本发明的有益效果为：本发明避免了大口径光学元件加工过程中为进行边缘精度控制而需要更换加工方法，大幅度提高了加工效率，减小了待加工元件由于搬运、支撑等带来的风险。本发明针对气囊抛光技术提出了一套主动控制待加工元件边缘精度的方法，可以获得更高的边缘精度。该方法中利用抛光过程中的“材料叠加”原理，预测并优化待加工元件边缘区域的驻留时间，避免了反卷积求解的复杂过程，操作简单、实用，精度高。该方法适用于任意形状的待加工元件。通过在一块对角距离为1.4米的六边形待加工元件的试验证明：总体加工时间仅用了176小时，六个边的边缘精度PV平均值达到了138nm，比传统方法(背景技术中的第二种方法)的加工效率提高了280％，精度上提高了135％；

附图说明

图1为本发明气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法的流程图；

图2为待加工元件主面和边缘区域的示意图；

其中：a为待加工元件主面区域的界限；b为待加工元件的边缘区域；c为抛光气囊开始提升的位置；d表示抛光气囊对待加工元件边边缘进行抛光的区域；e为抛光气囊的压缩量随着抛光气囊的提升开始变化的示意；

图3为具体实施方式一所述虚拟抛光结果与实际抛光结果的比较；

其中：a为根据材料的叠加原理预测的加工结果；b为抛光试验的测量结果；x为待加工元件径向坐标；y为待加工元件的误差幅值。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1-3说明本具体实施方式。气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法，它包括如下步骤：

步骤一：获取待加工元件对应材料的边缘区域去除函数；

步骤二：根据步骤一获得的边缘区域去除函数建立待加工元件边缘区域去除函数库，所述边缘区域去除函数库为根据抛光气囊的压缩量f_i和伸出量d_i一一对应的边缘区域去除函数；

步骤三：根据抛光路径的间隙m和抛光气囊的压缩量f_i计算待加工元件边缘区域的宽度；

步骤四：根据步骤三获取的待加工元件边缘区域的宽度、抛光路径的间隙m、抛光气囊的压缩量f_i和伸出量d_i从步骤二所述边缘区域去除函数库中提取相应的去除函数；

所述提取的边缘区域去除函数为

其中i＝1，2....n，(x，y)为抛光区域内点的坐标；

步骤五：根据步骤四提取的边缘区域去除函数对待加工元件边缘设定边缘区域去除函数的驻留时间t_n；所述驻留时间t_n为抛光工具在待加工元件边缘区域所停留的时间；

步骤六：根据材料去除叠加原理对待加工元件进行边缘区域的误差轮廓预测计算，获得待加工元件边缘区域的面形误差，即边缘区域误差分布的方均根值E；

步骤七：评估步骤六获得的待加工元件边缘区域的面形误差是否达到加工要求；

即设待加工元件边缘区域的面形误差的加工要求为A：如果E＜A，或E＝A，则进入步骤八；如果E＞A，则返回步骤五重新设定驻留时间；

步骤八：获取待加工元件边缘位置响应的去除函数的驻留时间值，生成抛光文件，执行抛光过程。

其中抛光工具的进给速度为F(mm/min)，抛光路径的间隙m，则驻留时间的计算公式为F/m，一般驻留时间的步长的取值范围为(0.1～1)F/m。

为实现气囊抛光技术边缘精度的主动控制，本方法在不更换抛光工具的情况下，利用大尺寸气囊的较大压缩量对主面进行抛光，当气囊进入边缘区域时，通过缓慢提升气囊的方式来减小气囊的压缩量，对待加工元件边缘区域进行“小工具”修形，如图2所示，这样既保证加工效率，又能有效控制边缘精度。

本发明首先需要分析气囊在待加工元件边缘区域的材料去除特性，获得待加工元件边缘区域的材料去除函数库，然后通过该去除函数信息库，对边缘区域的驻留时间分布进行局部优化，以补偿由于“边缘效应”导致的材料去除不均匀。该发明的实施基于以下三部分工作。

1.在给定抛光气囊尺寸、气囊充气压力、待加工元件材料的情况下，可以通过实验生成不同压缩量和不同伸出量的边缘除去函数。

2.根据材料去除叠加原理，对相应的去除函数进行叠加(虚拟抛光)，预测边缘区域的误差轮廓。该方法根据上述抛光过程中材料去除的叠加原理，可以通过在一块相同材料的试样上通过试验提前获得材料的去除函数，通过在相应的位置、相应的驻留时间对这些去除函数进行叠加，便可预测抛光结果，进而对抛光参数进行优化，因此可以避免复杂的反卷积运算，可提高抛光过程的效率和精度，图3所示的是预测结果与实验结果比较；

3.以边缘区域面形误差(均方根值)最小为目标，对边缘区域除去函数的驻留时间进行优化，完成最边缘区域材料去除量不均匀的补偿。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一不同的是所述步骤五中根据步骤四提取的对应的边缘区域去除函数对待加工元件边缘设定边缘区域去除函数的驻留时间的过程如下，其中该过程中边缘区域的误差分布为e₀(x，y)_edge，边缘区域误差分布的方均根值为E₀：

步骤五A：待加工元件边缘区域上的n个边缘区域去除函数设定驻留时间t_n，i＝1，2....n；

步骤五B：计算在步骤五A中的驻留时间下的边缘区域的误差分布e₀(x，y)_edge；

$e_0{(x,y)}_{\mathrm{edge}}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n\×r_i{(x+m\×i,y)}_{/f_i,d_i}$

步骤五C：计算步骤五B中待加工元件边缘区域误差分布的方均根值E₀；

E₀＝RMS[e₀(x，y)_edge]

步骤五D：设待加工元件边缘加工以前的误差为ε，计算残余误差σ；

σ＝|E₀-ε|

步骤五E：优化驻留时间变量t_n，使得步骤五D中的残余误差σ最小。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一不同的是所述步骤六中根据材料去除叠加原理对待加工元件进行边缘区域的误差轮廓预测计算，获得待加工元件边缘区域的面形误差的方均根值E，其过程为：

步骤六A：抛光路径的间隙m，待加工元件边缘区域有n个边缘区域去除函数

其中i＝1，2....n；f_i抛光气囊的压缩量，d_i为伸出量；那么待加工元件边缘区域的误差分布e(x，y)_edge由如下公式计算：

$e{(x,y)}_{\mathrm{edge}}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{(x+m\×i,y)}_{/f_i,d_i}$

步骤六B：计算待加工元件边缘区域误差分布的方均根值E

E＝RMS[e(x，y)_edge]。

Claims (3)

1.气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法，其特征在于它包括如下步骤：

步骤一：获取待加工元件对应材料的边缘区域去除函数；

步骤二：根据步骤一获得的边缘区域去除函数建立待加工元件边缘区域去除函数库，所述边缘区域去除函数库为根据抛光气囊的压缩量f_i和伸出量d_i一一对应的边缘区域去除函数；

步骤三：根据抛光路径的间隙m和抛光气囊的压缩量f_i计算待加工元件边缘区域的宽度；

步骤四：根据步骤三获取的待加工元件边缘区域的宽度、抛光路径的间隙m、抛光气囊的压缩量f_i和伸出量d_i从步骤二所述边缘区域去除函数库中提取相应的去除函数；

所述提取的边缘区域去除函数为

其中i＝1，2....n，(x，y)为抛光区域内点的坐标；

步骤五：根据步骤四提取的边缘区域去除函数对待加工元件边缘设定边缘区域去除函数的驻留时间t_n；所述驻留时间t_n为抛光工具在待加工元件边缘区域所停留的时间；

步骤六：根据材料去除叠加原理对待加工元件进行边缘区域的误差轮廓预测计算，获得待加工元件边缘区域的面形误差，即边缘区域误差分布的方均根值E；

步骤七：评估步骤六获得的待加工元件边缘区域的面形误差是否达到加工要求；

即设待加工元件边缘区域的面形误差的加工要求为A：如果E＜A，或E＝A，则进入步骤八；如果E＞A，则返回步骤五重新设定驻留时间；

步骤八：获取待加工元件边缘位置响应的去除函数的驻留时间值，生成抛光文件，执行抛光过程。

2.根据权利要求1所述的气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法，其特征在于步骤五中根据步骤四提取的对应的边缘区域去除函数对待加工元件边缘设定边缘区域去除函数的驻留时间的过程如下，其中该过程中边缘区域的误差分布为e₀(x，y)_edge，边缘区域误差分布的方均根值为E₀：

步骤五A：待加工元件边缘区域上的n个边缘区域去除函数设定驻留时间t_n，i＝1，2....n；

步骤五B：计算在步骤五A中的驻留时间下的边缘区域的误差分布e₀(x，y)_edge；

$e_0{(x,y)}_{\mathrm{edge}}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n\×r_i{(x+m\×i,y)}_{/f_i,d_i}$

步骤五C：计算步骤五B中待加工元件边缘区域误差分布的方均根值E₀；

E₀＝RMS[e₀(x，y)_edge]

步骤五D：设待加工元件边缘加工以前的误差为ε，计算残余误差σ；

σ＝|E₀-ε|

步骤五E：优化驻留时间变量t_n，使得步骤五D中的残余误差σ最小。

3.根据权利要求1所述的气囊抛光加工大口径光学元件的边缘精度控制方法，其特征在于步骤六中根据材料去除叠加原理对待加工元件进行边缘区域的误差轮廓预测计算，获得待加工元件边缘区域的面形误差的方均根值E，其过程为：

步骤六A：抛光路径的间隙m，待加工元件边缘区域有n个边缘区域去除函数

其中i＝1，2....n；f_i抛光气囊的压缩量，d_i为伸出量；那么待加工元件边缘区域的误差分布e(x，y)_edge由如下公式计算：

$e{(x,y)}_{\mathrm{edge}}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{(x+m\×i,y)}_{/f_i,d_i}$

步骤六B：计算待加工元件边缘区域误差分布的方均根值E

E＝RMS[e(x，y)_edge]。

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