CN114273986A - 一种非球面离子束抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学元件加工技术领域，具体涉及一种非球面离子束抛光方法。是在计算驻留时间时在不同的驻留点处使用不同的去除函数去计算。本发明可在线性三轴离子束加工设备上实现非球面修形，三轴加工系统控制相对较简单，成本低。本发明采用的步骤为：1、测算非球面的初始面形偏差；2、进行去除函数获取实验，获取基准去除函数，根据动态去除函数模型计算动态去除函数链表；3、分配驻留点，规划合适的加工路径；4、根据待加工光学元件的面形参数计算竖直方向的入射角和各驻留点处的方位角；5、计算驻留时间矩阵并生成加工文件，导入修形设备进行实际加工。
Description
技术领域：
本发明涉及光学元件加工技术领域，具体涉及一种非球面离子束抛光方法。
背景技术：
非球面光学元件由于具有优良的光学性能，在现代光学系统中应用的越来越普遍。离子束修形具有去除函数稳定、非接触式加工和加工精度高等优点，常被应用于高精度非球面的加工。
离子束抛光实现了真正意义上的非接触式加工，对工件表面不会产生机械上的作用力，不会对工件表面造成亚表面损伤；其次，离子束抛光所用的抛光工具是离子束，当参数不变时，离子束具有很好的稳定性，在加工工件各处时都会基本保持一致，因此不存在加工上的边缘效应；再者，离子束修形中去除函数呈现高斯形，因此，便于进行数学建模和求解驻留时间，并且具有很好的鲁棒性，当入射角度小于一定范围时，去除函数变化不大，因而在加工陡度不高的球面或非球面时，都可以采用简单的三轴系统进行加工；最后，由离子束抛光的原理所决定其对材料的去除是原子层面的，所以离子束加工后的光学元件具有很好的表面粗糙度，修形后的工件表面粗糙度可以达到亚纳米级别，常常用于光学加工的最后一步。
现有在三轴离子束加工系统中加工非球面的补偿算法主要是针对非球面上不同驻留点处去除函数的峰值去除速率进行补偿，计算峰值去除率补偿矩阵。当非球面面形陡度较大时，去除函数的采样精度下降，不稳定的去除函数导致加工后面形精度难以保证。
发明内容：
有鉴于此，本发明为了解决现有三轴系统中补偿算法的不足，提供一种非球面离子束抛光方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明所采用的技术方案为：1、一种非球面离子束抛光方法，其特征在于：
1)获取去除函数：采用离子束修形中点刻蚀实验获取基准去除函数R,记为r(x,y)；
2)获取面形偏差：利用干涉仪检测待加工光学元件的初始面形偏差E，记为e(x,y)；
3)规划运动轨迹：采取栅格或螺旋线规划离子束修形中离子源运动的轨迹；
4)计算角度矩阵和方位矩阵：根据目标非球面方程z＝h(x,y)计算光学元件的入射角度矩阵deg(x,y),方位角度矩阵dir(x,y)；采用多项式拟合插值使入射角度矩阵和方位角度矩阵的大小与非球面面形偏差矩阵大小相同；
5)计算不同入射角去除函数模型R(deg):利用步骤4获得的入射角度矩阵deg(x,y)对步骤1获得基准去除函数进行调制,获得不同入射角去除函数模型R(deg):
系数K(deg)由离子束的入射角度决定
其中基准去除函数可表示为：
6)计算去除函数链表：根据已有的不同入射角去除函数模型R(deg)，计算不同入射角不同方位的去除函数链表R(deg,dir)；
7)计算动态脉冲强度Bd：
根据步骤2获得的面形偏差中驻留点的坐标(x,y)，确定驻留点所处的角度deg和方位 dir，在去除函数链表中查找对应角度和方位的去除函数
对离子束斑区域积分获得动态脉冲强度Bd；
8)计算驻留时间矩阵：采用脉冲迭代法根据
计算驻留时间，其中Tk为驻留时间矩阵，Ek为面形偏差矩阵，Bd为步骤7计算所得动态脉冲强度；
Tk-1初始矩阵取0矩阵，面形偏差的初始值由步骤2)获得；
9)计算迭代后的迭代面形偏差矩阵：Ek＝Ek-1-Tk*R(deg)；
判断迭代后的面形偏差Ek的PV值和RMS值是否满足设定值，如满足结束，如不满足，转入步骤8)；
10)数控加工：根据步骤3规划的运动轨迹及步骤7获得的驻留时间矩阵生成加工文件，进行实际加工。
进一步，步骤4)中的入射角度是指非球面上各点法向与竖直方向的夹角。
进一步，步骤4)中的方位角是指非球面上各点相对于竖直方向或水平方向的旋转角度。
与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：
1)本发明在计算驻留时间时在不同的驻留点处使用不同的去除函数去计算，能实现非球面或自由曲面的加工；依赖于曲面的去除函数还可以提高样品的加工精度。
2)本发明采用链表方式存取动态去除函数，可以减小运算量，提高软件的计算速度。
2)本发明可在线性三轴离子束加工设备上实现非球面修形，三轴加工系统控制相对较简单，成本低。
说明书附图：
图1为本发明实施例中迭代法求解驻留时间的流程图；
图2为本发明实施例中基准去除函数示意图；
图3为本发明实施例中非球面初始面形偏差示意图；
图4为本发明实施例中驻留点所处角度示意图；其中a为驻留点所处的角度示意图；b 为驻留点所处的实际角度矩阵图；
图5为本发明实施例中驻留点所处的方位角示意图；其中a为驻留点所处方位角示意图； b为驻留点所处实际的方位角矩阵图；
图6为本发明实施例中实际加工时运动轨迹示意图；
图7为本发明实施例中非球面经过两次加工后的面形图；其中a为经过两次加工后的面形图；b为经过两次加工后的面形偏差图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例一种非球面离子束抛光方法所采用的离子束加工设备是线性三轴系统，待加工的目标非球面参数是口径50.8mm，材料为K9玻璃，顶点曲率半径77.3mm，K＝0.02，进行加工的具体操作步骤如下：
1)获取去除函数：采用离子束修形中点刻蚀实验获取基准去除函数R，记为r(x,y)，实例中基准去除函数如图2所示，去除函数峰值去除率为3.86nm/s，半高宽6mm；
2)获取面形偏差：本实例采取非零位干涉法获取面形偏差，在该方法中干涉仪直接测得的数据需要重构后才是真实的面形偏差，记为E(x,y)。重构后的初始面形偏差如图3所示，从图中可以看到初始面形偏差的RMS＝180.04nm，PV＝695.01nm。
3)规划运动轨迹：在加工中离子源的运动轨迹为栅格形，加工过程中离子源运动轨迹示意图如图4所示，也可采用螺旋线规划离子束修形中离子源运动的轨迹；
4)计算角度矩阵和方位矩阵：根据待加工非球面的方程z＝h(x,y)计算光学元件的入射角度矩阵deg(x,y)，方位矩阵dir(x,y)，采用多项式拟合插值使入射角度矩阵和方位角度矩阵的大小与非球面面形偏差矩阵大小相同；入射角和方位角的示意图如图5所示，实际计算出来的入射角和方位角矩阵如图6所示。
5)计算不同入射角去除函数模型R(deg):利用步骤4获得的入射角度矩阵deg(x,y)对步骤1获得基准去除函数进行调制,获得不同入射角去除函数模型R(deg):
系数K(deg)由离子束的入射角度决定
其中基准去除函数可表示为：
6)计算去除函数链表：根据已有的不同入射角去除函数模型R(deg)，计算不同入射角不同方位的去除函数链表R(deg,dir)，其中不同方位的去除函数矩阵是由正方向的去除函数矩阵旋转对应的角度计算出来，链表中每个元素表示对应入射角和方位角下的去除函数矩阵；
7)计算动态脉冲强度Bd：
根据步骤2获得的面形偏差中驻留点的坐标(x,y)，确定驻留点所处的角度deg和方位 dir，在去除函数链表中查找对应角度和方位的去除函数
对离子束斑区域积分获得动态脉冲强度Bd；
步骤7)中在采用了动态脉冲强度计算驻留时间，动态脉冲强度的计算方法为根据驻留点的位置在入射角度矩阵和方位角度矩阵中查找其所处的角度和方位，根据角度和方位在动态去除函数链表中查询该点的去除函数，根据查询得到的去除函数计算脉冲强度，即在非球面上的不同驻留点考虑由面形陡度引起的去除函数投影分布的变化。
8)计算驻留时间矩阵：采用迭代法根据
计算驻留时间，其中Tk为驻留时间矩阵，Ek为面形偏差矩阵，Bd为步骤7计算所得动态脉冲强度，由
计算；Tk-1初始矩阵取0矩阵，面形偏差的初始值由步骤2获得；
判断迭代后的面形偏差PV值和RMS值是否满足设定值，如满足结束，如不满足，转入步骤4)；
9)计算迭代后的迭代面形偏差矩阵：Ek＝Ek-1-Tk*R(deg)；
判断迭代后的面形偏差Ek的PV值和RMS值是否满足设定值，如满足结束，如不满足，转入步骤8)；
在采用脉冲迭代法计算驻留时间时，在非球面上不同驻留点，既考虑由入射角度引起的去除函数去除速率的变化，还计算了由面形陡度引起的去除函数投影分布的变化，同时还考虑了不同投影分布的去除函数在不同方位有不同的朝向。
10)数控加工：根据驻留时间矩阵和元件在系统中的位置计算加工文件，进行实际加工，经过两次迭代加工后，重构后的面形偏差如图7所示，从图中可以看到两次加工后RMS＝42.969nm，PV＝367.29nm。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种非球面离子束抛光方法，其特征在于：
1)获取去除函数：采用离子束修形中点刻蚀实验获取基准去除函数R,记为r(x,y)；
2)获取面形偏差：利用干涉仪检测待加工光学元件的初始面形偏差E，记为e(x,y)；
3)规划运动轨迹：采取栅格或螺旋线规划离子束修形中离子源运动的轨迹；
4)计算角度矩阵和方位矩阵：根据目标非球面方程z＝h(x,y)计算光学元件的入射角度矩阵deg(x,y),方位角度矩阵dir(x,y)；采用多项式拟合插值使入射角度矩阵和方位角度矩阵的大小与非球面面形偏差矩阵大小相同；
5)计算不同入射角去除函数模型R(deg):利用步骤4获得的入射角度矩阵deg(x,y)对步骤1获得基准去除函数进行调制,获得不同入射角去除函数模型R(deg):
系数K(deg)由离子束的入射角度决定
其中基准去除函数可表示为：
6)计算去除函数链表：根据已有的不同入射角去除函数模型R(deg)，计算不同入射角不同方位的去除函数链表R(deg,dir)；
7)计算动态脉冲强度Bd：
根据步骤2获得的面形偏差中驻留点的坐标(x,y)，确定驻留点所处的角度deg和方位dir，在去除函数链表中查找对应角度和方位的去除函数
对离子束斑区域积分获得动态脉冲强度Bd；
8)计算驻留时间矩阵：采用脉冲迭代法根据
计算驻留时间，其中Tk为驻留时间矩阵，Ek为面形偏差矩阵，Bd为步骤7计算所得动态脉冲强度；
Tk-1初始矩阵取0矩阵，面形偏差的初始值由步骤2)获得；
9)计算迭代后的迭代面形偏差矩阵：Ek＝Ek-1-Tk*R(deg)；
判断迭代后的面形偏差Ek的PV值和RMS值是否满足设定值，如满足结束，如不满足，转入步骤8)；
10)数控加工：根据步骤3规划的运动轨迹及步骤7获得的驻留时间矩阵生成加工文件，进行实际加工。
2.根据权利要求1所述的一种非球面离子束抛光方法，其特征在于：所述的步骤4)中的入射角度是指非球面上各点法向与竖直方向的夹角。
3.根据权利要求1或2所述的一种非球面离子束抛光方法，其特征在于：所述的步骤4)中的方位角是指非球面上各点相对于竖直方向或水平方向的旋转角度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111526676.0A CN114273986A (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 一种非球面离子束抛光方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202111526676.0A CN114273986A (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 一种非球面离子束抛光方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114273986A true CN114273986A (zh) | 2022-04-05 |
Family
ID=80872042
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202111526676.0A Pending CN114273986A (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 一种非球面离子束抛光方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114273986A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117473802A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 大口径光学元件抛光驻留时间快速求解方法 |
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2021
- 2021-12-14 CN CN202111526676.0A patent/CN114273986A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117473802A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 大口径光学元件抛光驻留时间快速求解方法 |
| CN117473802B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-03-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 大口径光学元件抛光驻留时间快速求解方法 |
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