CN103978430B - 全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全口径平面抛光中检测精度高的抛光盘表面形状的检测方法。全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法，该方法包括以下步骤：1）确定移动块运动导轨的直线度误差；2）结合抛光盘的旋转运动和移动块的直线运动测得抛光盘表面沿螺旋线分布的检测点的相对高度；3）检测数据的预处理；4）根据已检测点的高度数据通过插值方法得到抛光盘二维表面均匀离散各点的高度值，去倾斜处理后得到抛光盘表面的三维轮廓。本发明方法能够实时检测抛光盘表面的三维轮廓，并能够在具有直线移动导轨的抛光机床上实现，简单方便且精度较高。

Description

全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法

技术领域

本发明属于光学加工领域，尤其涉及全口径平面抛光范畴中基于沥青盘的环形抛光和基于聚氨酯盘的平面快速抛光中抛光盘表面三维轮廓的检测。

背景技术

在光学元件加工中，全口径平面抛光主要分为基于沥青盘的环形抛光和基于聚氨酯盘的平面快速抛光。传统全口径抛光主要采用沥青作为抛光盘材料，为了改善沥青盘的流动性和工件表面抛光轨迹密度分布的均匀性，沥青盘一般制备成圆环形，并将元件放在环带上进行抛光，即所谓的环抛技术。数十年来，环形抛光的质量控制，特别是元件面形误差的修正，主要依赖于工人长期的生产实践，加工遵循着机床参数设置、元件加工、面形检测、根据面形误差重新设定机床参数的循环过程，直到面形精度满足要求。这种基于加工结果反馈的工艺控制，大大延长了环抛的加工周期，降低了生产效率。目前，环形抛光修正元件面形误差，主要通过调整校正盘在沥青盘上的径向位置来实现。一般来说，外推校正盘会使元件面形往凹面变化，而内推校正盘则使元件面形往凸面变化。基于这一原理即可根据元件的检测面形来调整工艺参数进行加工。由于环形抛光的材料去除效率较低，因此近年来，基于聚氨酯盘的平面快速抛光技术得到了越来越多的应用。聚氨酯抛光起源于IBM公司基础技术实验室在1983年针对半导体硅片加工提出的CMP技术。美国劳伦斯利弗莫尔实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory,LLNL)的Berggren、Schmell等人是最早将聚氨酯垫应用于光学加工的研究者之一。由于聚氨酯垫具有较高的强度和良好的耐磨性，使得抛光过程能够在高速高压条件下进行，从而大大提高了全口径抛光的材料去除效率。

无论是基于沥青盘的环形抛光还是基于聚氨酯盘的平面快速抛光中，抛光盘的表面形状对于元件的面形误差均具有决定性的影响，如果能够实时检测盘面的形状，就能实时通过调整工艺参数或者进行修整工艺来改善盘面的形状，从而大大减少了加工循环次数，这对于提高加工效率具有重要的意义。目前，美国Zygo公司主要针对沥青盘提出了基于被检物贴合于盘面的轮廓检测方法，其采用工装夹具带动被检物沿盘面半径方向运动，结合盘面自身的旋转运动，通过检测被检物的高度来获得盘面的轮廓。这种检测方法的不足之处是要求检测过程中被检物与盘面贴合良好，两者之间不能存在间隙或者间隙在检测过程中保持恒定，这对于抛光盘旋转、被检物直线运动的动态过程以及抛光液存在于盘面的条件下，实现难度较大，检测精度难以保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种全口径平面抛光中检测精度高的抛光盘表面形状的检测方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法，该方法包括以下步骤：

1)确定移动块运动导轨的直线度误差：将位移传感器的探测头固定于移动块上，在抛光盘中心区域放置可调平台，将标准镜放在可调平台上，然后将探测头的检测点调至标准镜表面，开启移动块沿导轨的匀速直线运动，同时位移传感器记录探测头的高度数据并输出至计算机，得到导轨相对标准镜的距离，即移动块运动导轨的直线度误差f(x)；

2)结合抛光盘的旋转运动和移动块的直线运动测得抛光盘表面沿螺旋线分布的检测点的相对高度：将探测头的检测点调至抛光盘盘面上，开启抛光盘及移动块的运动，同时位移传感器记录探测头的高度数据并输出至计算机，得到抛光盘盘面沿螺旋线分布的检测点处的高度h(t)；

3)检测数据的预处理：对于突变和偏差较大的检测值，采用通过插值计算得到的数据将其取代，然后对数据进行匀滑处理，并减去步骤1)得到的移动块运动导轨的直线度误差，得到沿螺旋线路径检测盘面轮廓时检测点高度随检测时间的变化数据；

4)根据已检测点的高度数据通过插值方法得到抛光盘二维表面均匀离散各点的高度值：以抛光盘旋转中心为原点，原点与初始检测点连线为x轴正方向，建立直角坐标系，可得到各检测点的坐标及其高度值：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=(r_0+vt)\cos wt\\ y\left(t\right)=(r_0+vt)\sin wt\\ z\left(t\right)=h\left(t\right)-f\left(x_t\right)\end{array}\right.$

然后以一定的离散间距d生成二维表面(-R≤x′≤R,-R≤y′≤R)范围内均匀离散点P_k,l:(x′(k,l)＝-R+l·d,y′(k,l)＝-R+k·d)，将盘面内径以内和外径以外各点的高度值设为无效数据，盘面上各点P_k,l的高度值z_k,l根据已检测点(x(t),y(t))的高度z(t)通过插值方法计算，去倾斜处理后得到均匀离散矩阵点处的高度，即为抛光盘表面的三维轮廓，其中，上述r_o、R分别表示抛光盘的内、外径，v、w分别表示移动块的直线运动速度和抛光盘的旋转角速度，t表示检测时间，P_k,l表示二维表面均匀离散点矩阵的第k行第l列点，其对应坐标为：(x′(k,l),y′(k,l))。

进一步的，所述标准镜的面形误差PV值小于1um。

进一步的，步骤1)所述将标准镜放在可调平台上后，先通过可调平台将标准镜随抛光盘旋转的端跳调至小于1um。

进一步的，步骤3)所述匀滑处理的周期为5-100mm。

进一步的，步骤4)所述插值方法为以三角形为基础的线性内插或三次方程内插。

本发明的有益效果是：本发明通过生成抛光盘盘面均匀离散的分布点，再通过插值方法获得这些点的高度值，建立以矩阵表示的抛光盘盘面面形，精确得到抛光盘表面的三维轮廓。本发明方法能够实时检测抛光盘表面的三维轮廓，并能够在具有直线移动导轨的抛光机床上实现，简单方便且精度较高。通过本发明方法获得抛光盘的表面形状，可以指导抛光工艺，实时调整机床参数或决定是否修整盘面以及修整方案。

附图说明

图1是实施例中移动块运动导轨的直线度误差图。

图2是实施例中沿螺旋线路径检测盘面轮廓时检测点高度随检测时间的变化示意图。

图3是实施例中预处理后的沿螺旋线路径检测盘面轮廓时检测点高度随检测时间的变化示意图。

图4是实施例中抛光盘盘面沿螺旋线分布的检测点示意图。

图5是实施例中抛光盘盘面均匀离散获得的均布点示意图。

图6是实施例中根据检测点高度通过插值方法计算得到的抛光盘盘面三维轮廓图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的全口径抛光中抛光盘表面三维轮廓的检测是在一台平面快速抛光机床上进行，抛光盘为美国环球光学公司生产的LP66型聚氨酯环形抛光垫。环形抛光盘的内外径分别为40mm、540mm，转速可调范围为0-100rpm。移动块直线运动的导轨(导轨长度为1m)沿盘面直径方向，且与盘面具有较好的平行度，移动块行程为x(0mm,1000mm)。

具体检测方法包括以下步骤：

1)确定移动块运动导轨的直线度误差：将位移传感器的探测头固定于移动块上，在聚氨酯盘中心区域放置可调平台，将面形PV<1um的Ф600微晶反射镜(标准镜)放在可调平台上，通过可调平台将微晶反射镜随抛光盘旋转的端跳调至小于1um。将移动块移至导轨的x＝0处，然后将探测头的检测点调至微晶反射镜表面，设定移动块的平移速度为100mm/min，平移行程为x(0,500)，开启移动块运动同时位移传感器记录探测头的高度数据并将结果输出至计算机，在移动块停止运动时停止记录高度数据，得到导轨相对反射镜的距离误差f(x)，如图1所示，由于反射镜的平面度较高，因此该误差即为导轨的误差。

运动导轨存在一定的制造误差，从而影响盘面形状的检测精度。本发明通过标准镜测得运动导轨的直线度误差，并在盘面形状检测数据中将其去除，从而消去运动导轨误差对盘面形状检测精度的影响。

2)结合抛光盘的旋转运动和移动块的直线运动测得抛光盘表面沿螺旋线分布的检测点相对导轨的高度：将移动块移至导轨的x＝0处，将探测头的检测点调至抛光盘盘面内径上(r_o＝40mm)，设定抛光盘的转速w＝5r/min，移动块的行程x(0,500)及速度v＝50mm/min，开启抛光盘及移动块的运动，同时位移传感器记录探测头的高度数据并将结果输出至计算机，在移动块停止运动时停止记录，得到聚氨酯盘面沿螺旋线分布的检测点处的高度h(t)，如图2所示。由于抛光盘表面存在沟槽、气孔等结构，使得检测数据存在一些奇异点，这些点不能反映盘面的真实轮廓，需要进行替代处理。

3)检测数据的预处理：对于突变和偏差较大的检测值，采用通过插值计算得到的数据将其取代，并对检测数据进行匀滑处理，然后减去步骤1)得到的移动块运动导轨本身的直线度误差f(x)，得到沿螺旋线路径检测盘面轮廓时检测点高度随检测时间的变化数据，如图3所示。

4)根据已检测点的高度数据通过插值方法得到抛光盘二维表面均匀离散各点的高度值：

以抛光盘旋转中心为原点，原点与初始检测点连线为x轴正方向建立直角坐标系，可得到各检测点的坐标及其高度值：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=(r_0+vt)\cos wt\\ y\left(t\right)=(r_0+vt)\sin wt\\ z\left(t\right)=h\left(t\right)-f\left(x_t\right)\end{array}\right.$

各检测点的分布如图4所示。在计算机中盘面形状是以矩阵表示的，矩阵的数值代表对应各点的高度。然后以一定的离散间距d生成二维表面(-R≤x′≤R,-R≤y′≤R)范围内均匀离散点P_k,l:(x′(k,l)＝-R+l·d,y′(k,l)＝-R+k·d)，如图5所示。

其中，上述r_o、R分别表示环形抛光盘的内、外径，v、w分别表示移动块的直线运动速度和抛光盘的旋转角速度，t表示检测时间，h(t)、f(x_t)分别表示t时刻测得的盘面高度及导轨的误差。P_k,l表示二维表面离散点矩阵的第k行第l列点，其对应坐标为：(x′(k,l),y′(k,l))。

将盘面内径以内和外径以外各点的高度值设为无效数据，盘面上各点P_k,l的高度值z_k,l根据已检测点(x(t),y(t))的高度z(t)通过插值方法计算，插值方法可以为以三角形为基础的线性内插或三次方程内插等，去倾斜处理后得到均匀离散矩阵点处的高度，即为抛光盘表面的三维轮廓，如图6所示。

本发明的抛光盘表面形状的检测方法，由于抛光盘表面存在槽沟、气孔、毛刺及其它微观突变结构，初始数据需要去除这些突变点并用通过插值方法计算得到的值将其取代；由于移动块运动的导轨存在一定的直线度误差，因此需要将检测数据减去已测得的导轨直线度误差，本发明通过检测标准镜获得导轨的直线度误差，并在检测抛光盘盘面形状时将其去除；由于盘面形状检测主要关注盘面的低频面形误差，因此可对检测数据进行匀滑处理，匀滑处理周期最好为5-100mm；通过抛光盘匀速旋转运动和导轨匀速直线运动的结合得到覆盖抛光盘整个表面的沿螺旋线分布各点的高度；根据沿螺旋线分布各点的高度，通过插值方法得到整个抛光盘表面均匀离散各点的高度。

Claims (5)

1.全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)确定移动块运动导轨的直线度误差：将位移传感器的探测头固定于移动块上，在抛光盘中心区域放置可调平台，将标准镜放在可调平台上，然后将探测头的检测点调至标准镜表面，开启移动块沿导轨的匀速直线运动，同时位移传感器记录探测头的高度数据并输出至计算机，得到导轨相对标准镜的距离，即移动块运动导轨的直线度误差f(x)；

2)结合抛光盘的旋转运动和移动块的直线运动测得抛光盘表面沿螺旋线分布的检测点的相对高度：将探测头的检测点调至抛光盘盘面上，开启抛光盘及移动块的运动，同时位移传感器记录探测头的高度数据并输出至计算机，得到抛光盘盘面沿螺旋线分布的检测点处的高度h(t)；

3)检测数据的预处理：对于突变和偏差较大的检测值，采用通过插值计算得到的数据将其取代，然后对数据进行匀滑处理，并减去步骤1)得到的移动块运动导轨的直线度误差，得到沿螺旋线路径检测盘面轮廓时检测点高度随检测时间的变化数据；

4)根据已检测点的高度数据通过插值方法得到抛光盘二维表面均匀离散各点的高度值：以抛光盘旋转中心为原点，原点与初始检测点连线为x轴正方向，建立直角坐标系，可得到各检测点的坐标及其高度值：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=(r_0+vt)\cos wt\\ y\left(t\right)=(r_0+vt)\sin wt\\ z\left(t\right)=h\left(t\right)-f\left(x_t\right)\end{array}\right.$

然后以一定的离散间距d生成二维表面(-R≤x′≤R，-R≤y′≤R)范围内均匀离散点P_k，l：(x′(k，l)＝-R+l·d，y′(k，l)＝-R+k·d)，将盘面内径以内和外径以外各点的高度值设为无效数据，盘面上各点P_k，l的高度值z_k，l根据已检测点(x(t)，y(t))的高度z(t)通过插值方法计算，去倾斜处理后得到离散矩阵点处的高度，即为抛光盘表面的三维轮廓，其中，上述r_o、R分别表示抛光盘的内、外径，v、w分别表示移动块的直线运动速度和抛光盘的旋转角速度，t表示检测时间，P_k，l表示二维表面离散点矩阵的第k行第l列点，其对应坐标为：(x′(k，l)，y′(k，l))。

2.根据权利要求1所述的全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法，其特征在于，所述标准镜的面形误差PV值小于1um。

3.根据权利要求1所述的全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法，其特征在于，步骤1)所述将标准镜放在可调节平台上后，先通过可调平台将标准镜随抛光盘旋转的端跳调至小于1um。

4.根据权利要求1所述的全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法，其特征在于，步骤3)所述匀滑处理的周期为5-100mm。

5.根据权利要求1所述的全口径平面抛光中抛光盘表面形状的检测方法，其特征在于，步骤4)所述插值方法为以三角形为基础的线性内插或三次方程内插。