CN107520683B - 子口径抛光的等高线路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种子口径抛光的等高线路径规划方法，通过该方法规划的等高线路径有利于抑制由于卷积效应引起的残留误差。子口径抛光的等高线路径规划方法，该方法包括以下步骤：1)获取初始面形误差分布数据；2)计算离散的材料去除量数列并生成各个去除量对应的等高线路径；3)计算各条等高线路径上的各个驻留点坐标及其驻留时间。本发明通过求得合适的材料去除量等高值数列并生成相应的等高线，可在加工表面材料去除量较大区域获得较密的路径间距，而在去除量较小区域获得较疏的路径间距，从而克服了目前采用等间距光栅扫描或螺旋线扫描路径方法加工时，难以实现中频误差和低频面形同时高效收敛的问题。
Description
技术领域
本发明属于光学加工领域，尤其涉及一种子口径抛光的等高线路径规划方法。
背景技术
光学元件的抛光技术分为子口径抛光和全口径抛光两类。全口径抛光是采用尺寸比元件大的抛光盘，抛光时元件的整个表面与抛光盘接触；子口径抛光则是采用尺寸比元件小的抛光工具，通过小工具对元件表面局部区域的选择性去除，从而实现整体面形误差的修正。子口径抛光时，机床数控系统控制小工具以一定的路径扫描元件的整个表面，通过调整小工具在元件表面不同部位的驻留时间或运动速度来控制不同部位的去除量，最终修正元件的面形误差。目前子口径抛光通常采用的路径方式主要包括光栅路径、螺旋线路径以及随机路径。光栅路径和螺旋线路径作为传统的规则路径，不可避免地在相邻扫描路线上产生卷积波纹，从而恶化中频波纹误差。目前，光栅路径和螺旋线路径大都采用等间距扫描方式。
采用等间距路径时，小工具在元件表面所有高、低区域的扫描路径间距相同，此时选择较小的路径间距虽然有利于降低卷积效应引入的中频波纹误差，但较小的路径间距将会增大元件最低区域的多余材料去除量，从而不利于面形误差的收敛。因此，实际抛光时一般选择适中的路径间距，以部分牺牲中频误差的收敛效率来确保面形误差的高效收敛。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种子口径抛光的等高线路径规划方法，通过该方法规划的等高线路径中材料去除量较高区域的路径间距较小，而去除量较低区域的路径间距较大，有利于抑制由于卷积效应引起的残留误差。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：子口径抛光的等高线路径规划方法，该方法包括以下步骤：1)获取初始面形误差分布数据；2)计算离散的材料去除量数列并生成各个去除量对应的等高线路径；3)计算各条等高线路径上的各个驻留点坐标及其驻留时间。
进一步的，所述步骤1)为：利用光学干涉仪对待加工光学元件进行面形检测，获取待加工光学元件的初始面形误差分布数据。
进一步的，所述步骤2)为：根据步骤1)测得的初始面形误差分布数据找到元件中心区域的最高点(或最低点)，其坐标记为(x0，y0)；然后找到元件边角区域的最低点(或最高点)，其坐标记为(x1，y1)；获取最高点与最低点连线上的各点坐标及其对应的面形误差值，记为(xi，yi，zi)，此处zi值呈单调递减(或递增)；沿上述连线依次寻找各个等高值参考点，记为ki，相邻参考点之间的覆盖面积确定为s，则各个参考点的计算方法如下：
选取连线上的第一点(x0，y0)作为第0参考点，依次计算后续各点与第0参考点之间覆盖的面积，直到其大于或等于s时，设定该点为第1参考点，依次求得各参考点，各参考点处的面形误差值即为等高值；依次求解各个等高值对应的等高线，各个等高线以离散点表示，如第i条等高线以其各点离散点表示：
li：pi，1(xi，1，yi，1)，pi，2(xi，2，yi，2)，ggg，pi，m(xi，m，yi，m)。
进一步的，所述步骤3)为：确定等高线路径上相邻驻留点的间距为d，依次计算各条等高线路径上的驻留点，对于任意等高线路径：
li：pi，1(xi，1，yi，1)，pi，2(xi，2，yi，2)，ggg，pi，m(xi，m，yi，m)
选取路径上的第一离散点(x1，y1)为第一驻留点，依次计算后续各离散点与第一驻留点的距离，直到两点距离大于或等于时，设定该点为第二驻留点，依次求得各驻留点(xi，yi)，求得各条等高线线上的驻留点后，采用驻留时间求解算法计算所有驻留点的驻留时间(ti)。
进一步的，根据各条等高线路径上驻留点的坐标(xi，yi)和该点的驻留时间(ti)，对待加工光学元件进行子口径抛光。
本发明的有益效果是：通过求得合适的材料去除量等高值数列并生成相应的等高线，可在加工表面材料去除量较大区域获得较密的路径间距，而在去除量较小区域获得较疏的路径间距，从而克服了目前采用等间距光栅扫描或螺旋线扫描路径方法加工时，难以实现中频误差和低频面形同时高效收敛的问题。
附图说明
图1为实施例中抛光工艺过程的去除函数分布图。
图2为实施例中测得的待加工光学元件的面形误差分布图。
图3为实施例中元件初始面形误差的最高点和最低点及其连线。
图4为实施例中求得的等高值参考点及其材料去除量。
图5为实施例中各个等高线组成的抛光路径图。
图6为实施例中的光学元件经过实际抛光后测得的面形误差分布图。
具体实施方式
本发明的子口径抛光的等高线路径规划方法，包括以下步骤：
1)获取初始面形误差分布数据
利用光学干涉仪对待加工光学元件进行面形检测，获取待加工光学元件的初始面形误差分布数据；
2)计算离散的材料去除量数列并生成各个去除量对应的等高线路径
上述离散的材料去除量数列是通过以下方法得到的：全口径抛光获得的元件面形通常为规则的凹面或凸面，近似为中心对称分布，元件面形的最高点和最低点一般位于元件中心或边缘区域。首先根据步骤1)测得的元件初始面形误差找到元件中心区域的最高点(或最低点)，其坐标记为(x0，y0)；然后找到元件边角区域的最低点(或最高点)，其坐标记为(x1，y1)；获取最高点与最低点连线上的各点坐标及其对应的面形误差值(材料去除量)，记为(xi，yi，zi)，此处zi值呈单调递减(或递增)；沿上述连线依次寻找各个等高值参考点，记为ki，相邻参考点之间的覆盖面积确定为s，则各个参考点的计算方法如下：
选取连线上的第一点(x0，y0)作为第0参考点，依次计算后续各点与第0参考点之间覆盖的面积，直到其大于或等于s时，设定该点为第1参考点，依次求得各参考点，各参考点处的面形误差值即为等高值。
依次求解各个等高值对应的等高线，各个等高线以离散点表示，如第i条等高线以其各点离散点表示：
li：pi，1(xi，1，yi，1)，pi，2(xi，2，yi，2)，ggg，pi，m(xi，m，yi，m)
3)计算各条等高线路径上的各个驻留点坐标及其驻留时间
确定等高线路径上相邻驻留点的间距为d，依次计算各条等高线路径上的驻留点。
对于任意等高线路径li：pi，1(xi，1，yi，1)，pi，2(xi，2，yi，2)，ggg，pi，m(xi，m，yi，m)
选取路径上的第一离散点(x1，y1)为第一驻留点；依次计算后续各离散点与第一驻留点的距离，直到两点距离大于或等于时，设定该点为第二驻留点，依次求得各驻留点(xi，yi)。
求得各条等高线线上的驻留点后，采用现有的驻留时间求解算法(脉冲迭代法、截断奇异值分解法等)计算所有驻留点的驻留时间(ti)。
4)根据各条等高线路径上驻留点的坐标(xi，yi)和该点的驻留时间(ti)，对待加工光学元件进行子口径抛光。
实施例：
本实施例的子口径抛光是在一台数控抛光机床上进行的，机床具有X、Y、Z三个直线运动轴，以及包括公转和自转电机的抛光头，抛光工具为直径50mm的沥青盘，抛光工具通过球绞连接于抛光头上。工艺参数设置为：公转转速100rpm，自转转速20rpm，抛光压力5kg，沥青盘的去除函数如图1所示。待抛光元件为400mm×400mm的熔石英玻璃。
对上述熔石英玻璃进行数控抛光的步骤为：
1)获取初始面形误差分布：利用直径为800mm的光学干涉仪检测待加工元件的初始面形误差，获取的待加工元件面形误差如图2所示，其中峰-谷误差值(PV)为1.62um；
2)计算离散的材料去除量数列并生成各个去除量对应的等高线路径：
由于待加工元件的初始面形误差是通过传统的全口径环形抛光获得的，近似为中心对称分布，其中最高点位于元件中心区域，而最低点位于边角区域。首先根据元件的初始面形误差找到中心区域的最高点p1，其坐标为(201，202)，并且找到元件边角区域的最低点p2，其坐标为(399，398)，最高点与最低点的连线如图3所示；然后生成最高点与最低点连线上300个均匀离散点的坐标(xi，yi)，并且根据初始面形误差通过插值算法求得各离散点的高度值zi。
然后沿上述连线依次寻找各个等高值参考点，相邻参考点之间覆盖的面积确定为s＝10，则各个参考点的计算方法如下：
选取连线上的第一点p1作为第0参考点；依次计算后续各离散点与第0参考点之间覆盖的面积，得到第5点时其值为10.15，大于s＝10，设定该点为第1参考点；依次求得各参考点，各参考点处的面形误差值即为等高值，如图4所示；然后依次求解各个等高值对应的元件表面的等高线，各个等高线以离散点表示，各个等高线组成的抛光路径如图5所示。
3)计算各条等高线路径上的各个驻留点坐标及其驻留时间
设定等高线路径上相邻驻留点的间距为d＝2(mm)，依次计算各条等高线路径上的驻留点。
对于任意等高线路径li：pi，1(xi，1，yi，1)，pi，2(xi，2，yi，2)，ggg，pi，m(xi，m，yi，m)
选取路径上的第一离散点(x1，y1)为第一驻留点；依次计算后续各离散点与第一驻留点的距离，直到两点距离大于或等于时，设定该点为第二驻留点，依次求得各驻留点(xi，yi)。
求得各条等高线线上的驻留点后，采用现有的脉冲迭代法算法计算所有驻留点的驻留时间(ti)。
4)根据各条等高线路径上驻留点的坐标(xi，yi)和该点的驻留时间(ti)，对待加工光学元件进行子口径抛光；加工完成后利用光学干涉仪对元件进行面形检测，获取元件的面形误差分布如图6所示，其中PV值为0.23um。
Claims (3)
1.子口径抛光的等高线路径规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取初始面形误差分布数据；2)计算离散的材料去除量数列并生成各个去除量对应的等高线路径：根据步骤1)测得的初始面形误差分布数据找到元件中心区域的最高点或最低点，其坐标记为(x0,y0)；然后找到元件边角区域的最低点或最高点，其坐标记为(x1,y1)；获取最高点与最低点连线上的各点坐标及其对应的面形误差值，记为(xi,yi,zi)，此处zi值呈单调递减或递增；沿上述连线依次寻找各个等高值参考点，记为ki，相邻参考点之间的覆盖面积确定为s，则各个参考点的计算方法如下：
选取连线上的第一点(x0,y0)作为第0参考点，依次计算后续各点与第0参考点之间覆盖的面积，直到其大于或等于s时，设定该点为第1参考点，依次求得各参考点，各参考点处的面形误差值即为等高值；依次求解各个等高值对应的等高线，各个等高线以离散点表示，如第i条等高线以其各点离散点表示：
li:pi,1(xi,1,yi,1)，pi,2(xi,2,yi,2)，ggg，pi,m(xi,m,yi,m)；3)计算各条等高线路径上的各个驻留点坐标及其驻留时间：确定等高线路径上相邻驻留点的间距为d，依次计算各条等高线路径上的驻留点，对于任意等高线路径：
li:pi,1(xi,1,yi,1)，pi,2(xi,2,yi,2)，ggg，pi,m(xi,m,yi,m)
选取路径上的第一离散点(x1,y1)为第一驻留点，依次计算后续各离散点与第一驻留点的距离，直到两点距离大于或等于d时，设定该点为第二驻留点，依次求得各驻留点(xi,yi)，求得各条等高线线上的驻留点后，采用驻留时间求解算法计算所有驻留点的驻留时间(ti)。
2.如权利要求1所述的子口径抛光的等高线路径规划方法，其特征在于，所述步骤1)为：利用光学干涉仪对待加工光学元件进行面形检测，获取待加工光学元件的初始面形误差分布数据。
3.如权利要求1所述的子口径抛光的等高线路径规划方法，其特征在于，根据各条等高线路径上驻留点的坐标(xi,yi)和该点的驻留时间(ti)，对待加工光学元件进行子口径抛光。
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