CN103802031A - 任意面形的高精度光学表面确定性加工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高精度光学加工领域，公开了一种三维的适合于任意面形的高精度光学表面加工系统。本发明在计算机控制的确定性抛光技术的基础上，通过软件控制，增加工件在垂直方向的移动性，使工件在加工过程保持高度差不变，保证了对大起伏非平面部件加工时的恒定去除率，从而实现任意曲面的非平面光学曲面的高精度加工。本发明可实现对10厘米×10厘米大小级别的光学部件误差为1/100波长的表面面形超高精度及约1/1000波长的均方根(RMS)误差的加工能力，并实现对任意曲面面形的加工能力。本发明可适用于光学表面、半导体材料薄膜表面等多种不同应用的材料，可成为一种方便、灵活、通用的制造工艺而应用于多种行业。
Description
技术领域
本发明涉及高精度光学加工领域，尤其涉及高精度任意形状的光学表面加工以及高精度半导体材料表面加工行业。
背景技术
光学部件表面的加工精度及表面光洁度对光学部件的性能是至关重要的。传统的光学表面加工精度常依赖于技工的个人经验并且由于不可控的本性而极难达到超高精度。近年开发的抛光新技术即所谓自动化的确定性(deterministic)抛光技术使得光学抛光变得可控并达到更高的精度。确定性抛光技术的例子包括由美国纽约州罗切斯特市的QED技术公司开发的磁流变抛光技术(magnetorheologicalfinishing，MRF)，以及加拿大安大略省渥太华的LightMachinery公司开发的喷流抛光技术(fluid-jet polishing，FJP)。确定性抛光技术的原理是通过专用工具局部地按预设的目标值精确地从初始面值去除材质从而实现高精度的光学表面。目前，确定性抛光技术已经用于光学加工行业并取得了巨大的成功，这项进展被视为颠覆了传统的光学加工行业的技术革命，从而使光学加工达到了前所未有的且远超出传统抛光技术所得到的光学表面精度。尤其是LightMachinery公司的喷流抛光可以日常性地加工出误差小至6纳米即光学行业所说的1/100波长(632.8nm波长)表面面形精度和约为1/1000波长的均方根精度(RMS)的10厘米×10厘米大小以内的超高精度的平面光学部件。对50毫米×50毫米大小的平面光学部件，LightMachinery公司的喷流抛光甚至可以达到1/200波长的绝对误差的超高精度。此外，这些技术还适合产生大面积特殊图案的光学表面或者按照预设的目标面生成的光学表面，特别是用在对含多个胶合界面的光学组合器件的复杂累积误差的修正等。这些特殊的功能在以前几乎是不可能的。
然而，由于系统在加工过程中缺乏垂直(Z)方向移动变化的特性，现有的确定性抛光技术只能用于平面或者起伏非常小的非平面，不适合处理大起伏的曲面光学表面。
本发明在计算机控制的确定性抛光技术的基础上，采用计算机软件控制，增加工件在垂直方向的移动性，使工件在加工过程保持高度差不变，保证对大起伏非平面部件加工时的恒定去除率，从而实现在大起伏的非平面光学曲面的高精度加工。本发明可实现对10厘米×10厘米大小级别的光学部件误差为1/100波长的表面面形超高精度及约1/1000波长的均方根(RMS)误差的加工能力，并实现对任意曲面面形的加工能力。本发明可适用于光学表面、半导体材料薄膜表面等多种不同应用的材料，可成为一种方便、灵活、通用的制造工艺而应用于多种行业。
发明内容
(一)拟解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是，通过计算机软件控制工件在垂直表面起伏改变的高度，维持工件对部件加工的高度差不变，来实现对大起伏非平面部件加工时的恒定去除率，从而实现任意光学曲面的高精度加工。
(二)技术方案
本发明的技术要点是采用计算机软件控制，通过工具在工件表面扫描加工停留时间图和工具的高度随工件表面起伏变化即由计算机控制的平面上的XY轴扫描加上Z轴方向随工件表面起伏移动维持固定高度差以保持恒定的单位时间去除率。这个过程的示意图如图1所示。经喷嘴喷出的抛光液作用在材料上去除轮廓称为工具的去除特征函数。抛光液在快速喷出时，里面包含的抛光粉颗粒通过碰撞待加工试样的表面，并砸下小的团块，从而去除材质，达到抛光的目的。经预先校正测量可得到工具的轮廓特征函数及单位时间去除率。在预先校正测量时，通过对各种工艺条件和参数如抛光剂种类和浓度、压力、喷嘴直径、以及工件表面和喷嘴之间的距离等参数调整，可以获得最佳的运行参数。将工件的当前状态面与目标面对照可得出工件整个表面不同部位所需的去除量函数。将工件整个表面所需的去除量与去除工具的轮廓特征函数及单位时间去除率相结合可以计算得出喷嘴在工件上的表面停留时间函数图。再由一个计算机程序控制的XY逐行扫描和Z方向移动来匹配工件不同部位所需的停留时间和相应的表面起伏，从而实现三维的光学表面确定性的超高精度加工。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明在现有的确定性高精度加工技术中，通过计算机软件控制，增加了垂直于待加工曲面的Z方向的运动，在加工过程中实现三维的任意方向的移动，从而实现对平面、曲面表面或者任意面形表面的高精度加工。
本发明的优点如下：
1.可以加工出面形精度高达1/100波长的平面、大起伏的曲面或者任意面形的表面。
2.操作方便，无污染。
3.运行成本低。
4.很方便扩展成用于不同行业的通用加工技术。
附图说明
图1三维确定性光学高精度加工示意图；
图2确定性抛光算法流程图；
图3三维确定性光学高精度加工软件流程图；
图4三维确定性光学高精度加工系统示意图。
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明白，通过以下具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
第一步，停留时间函数算法确定
图2显示了停留时间函数算法的流程图。超高精度光学表面加工处理，首先需要测量目前工件表面状态，称为起始面。这通常是使用ZYGO干涉仪或其他超高精度测量技术。起始表面函数以S(X，Y)表示。而目标面函数记为G(X，Y)，所需的表面去除函数ΔZ(X，Y)则由起始表面减去目标面得到：
ΔZ(X，Y)＝S(X，Y)-G(X，Y)+d (1)
其中d是任意常数，以避免引入负的待去除值。通常选择d值使预期的最大扫描移动速度稍小于硬件允许的最大移动速度。对于一些特殊的应用，如高精度标准具所需的高精确度的光学厚度，d值的设置用来控制板块的绝对厚度。在数学上，所需的表面去除函数ΔZ(X，Y)是停留时间函数D(X，Y)(指每单位面积的工具停留时间)与工具去除轮廓特征函数T(X，Y)的卷积：
ΔZ(X，Y)＝D(X，Y)*T(X，Y) (2)
其中符号“*”表示卷积计算。驻留时间函数D(X，Y)可以通过上述公式计算的卷积逆运算得到。运用现代计算机技术和软件，此处的逆卷积近似计算不难完成。当近似计算的结果足够精确后可以把近似解当作逆卷积结果。当卷积逆运算完成后，随之得来的停留时间函数图可以很容易地转换成工具的二维扫描速度矩阵V[X，Y]。以上算法是确定性技术应用于光学表面加工实现由起始面精确修形至目标面超高精度的核心。
第二步，计算机控制的确定性(deterministic)加工系统软件流程图
由算法流程图可知，所需的表面去除量函数由工件目前表面状态轮廓函数减去目标表面轮廓函数获得。在数学上，所需的表面去量除函数是工具单位面积停留时间和工具去除轮廓特征函数的卷积。可以通过计算卷积逆运算可得到工具的表面停留时间函数。当逆卷积计算完成后，随之而得来的停留时间函数图可以很容易地转换成工具扫描速度矩阵。
整个系统的软件流程由图3所示。软件输入部分可以读入待加工工件的当前状态的测量数据以及所要达到的目标面数据。软件还能读入测试的工具轮廓结果以表征去除工具和单位时间去除率。除了前面所述的逆卷积计算得到停留时间函数和转换成扫描速度矩阵外，软件另一部分重要功能是通过软硬件交流界面来控制XY平台和Z轴移以执行按设定的速度和位置精确扫描，同时实时控制压力和实时显示运行进展状况。本发明重要部分是软硬件的完美结合，使得整个系统实现自动化操作而且使用方便。本发明使用美国国家仪器(NI)的LabVIEW软件平台开发而成的软件来执行算法计算，沟通与控制硬件并执行运行操作。LabVIEW是一个软件平台，具有强大的计算能力，特别是测试数据采集和控制硬件和测量设备等强有力能力。作为一个图形界面程序，LabVIEW已经被广泛用于测试，测量，数据采集，仪器控制和工业自动化应用等超过20年之久。
第三步，机械硬件设备系统的设计
本发明系统的硬件设备将由计算机控制执行确定性的光学表面加工处理。图4示出了三维运动的确定性高精度加工系统的硬件设备的组装设计图。停留时间函数D(X，Y)将被转换成工具扫描速度矩阵，然后对整个光学表面按速度矩阵V[X，Y]中设定的速度扫描，并且在相应的XY位置上随光学表面起伏在Z方向上改变加工工具高度。扫描需要精确地执行设定的速度和准确的步长。一个高精度以及宽动态速度范围和准确的步长精密XYZ三维运动系统是保证表面的精确加工的重要组成部分。本发明以步进电机配以计算机控制来精确实施扫描加工。精密运动系统的XY平台和Z方向移动部件可以从市面上购买满足精度要求的现成部件组装而成。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，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 (2)
1.一种任意面形的高精度光学表面确定性加工系统，其特征在于，通过计算机软件，对确定性加工工具进行三维控制，即由计算机同时控制平面上的XY轴扫描和Z轴方向上的高度，以达到高精度加工大曲面光学表面加工的目的，从而实现任意光学表面的高精度加工。
2.通过计算机软件控制加工工具在垂直表面起伏改变的高度，维持工件对待加工表面的高度差不变，来实现对大起伏非平面部件加工时的恒定去除率。
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| CN201210455389.XA CN103802031A (zh) | 2012-11-15 | 2012-11-15 | 任意面形的高精度光学表面确定性加工系统 |
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