CN114626767A - 一种离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法,属于先进光学制造领域。所述方法包括在加工过程中,在离轴变斜率非球面光学元件表面的任意一处与加工工具相切点建立坐标系,并计算出该坐标系下离轴变斜率非球面光学元件的表面曲面表达式,根据该公式计算出加工工具在任意位置处与元件之间的匹配度,该方法能够用于评价离轴变斜率非球面光学元件在加工过程中的任意离轴位置处与加工工具的匹配情况。
Description
技术领域
本发明属于先进光学制造领域,具体涉及的是一种离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法。
背景技术
极端科学领域对其精密光学系统的光学元件的设计和制造提出了极高的要求,在高精密度高复杂度的系统中为提高系统设计的自由度以及性能逐渐采用各种异形非球面光学元件,其中部分光学系统对离轴且表面斜率不断变化的非球面光学元件提出需求,需要高精度高质量的此类光学元件。针对此类光学元件的加工会不可避免的引入各种频段的表面损伤,这是由于加工工具与元件表面的匹配效果不佳导致的,所产生的表面损伤会极大程度的影响光学系统的性能,会根据所产生的误差频段不同而导致系统中的光线传播发生散射,产生像差,影响成像对比度等问题,对工具和元件表面的匹配度进行准确评价对消除加工后的表面误差有重要意义,而针对斜率变化剧烈的非球面其离轴位置处的匹配度计算是光学加工中的难点和热点。
现代光学元件的加工依赖加工工具在元件表面进行物理误差去除,在加工过程中任意离轴位置处加工工具与元件之间的接触情况会直接影响加工后的元件表面面形,目前对于离轴变斜率非球面元件的加工匹配度没有准确的评价与描述方式,不能定量分析加工工具与元件之间的接触情况,难以根据接触情况对加工工具做出调整以改进面形质量。本发明针对变斜率非球面光学元件离轴加工过程中工具与元件之间的接触情况问题,设计出一种应用于离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度的评价方法。
发明内容
针对上述问题,为解决变斜率非球面元件在离轴位置处加工过程中接触情况难以定量描述,加工后元件面形质量难以进一步提高的问题,本发明提供一种离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法,用于定量描述加工过程中光学元件与加工工具之间的接触情况。
为解决现有技术问题,本发明目的是通过计算构建元件与磨盘加工过程中工具与元件接触情况的表述模型,对加工匹配度建立定量评价模型,直观反应工具与元件接触状态,为离轴变斜率非球面光学元件加工提供理论支撑,并根据匹配度评价情况判断加工质量,以此改进变斜率非球面元件离轴加工技术,最终提升光学加工中光学元件的面形质量。
为达成所述目的,本发明提供一种离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法,过程包括以下步骤:
步骤S1:根据所述离轴变斜率非球面光学元件的初始参数在空间中构建该光学元件的曲面方程;
步骤S2:在任意离轴加工区域建立新坐标系,并构建坐标系变换矩阵;所述建立新坐标系为从以光学元件顶点建立的初始坐标系O-XYZ变换到局部离轴区域坐标系B-X * Y * Z *;
步骤S3:采用所述变换矩阵,将所述曲面方程变换到所述新坐标系下,获得新坐标系下的光学元件表面的曲面表达式;
步骤S4:在当前坐标系下获得加工匹配度的评价方程。
进一步的,所述步骤S1中,
所述曲面方程,即所述非球面光学元件在空间中的曲面面形计算公式表示如下:
该公式为离轴变斜率非球面光学元件在三维空间中的参数方程表达式,其中,c=1/R 0为顶点曲率,R 0为顶点曲率半径,k为二次曲面系数,x为曲面在x轴上的坐标,y为曲面在y轴上的坐标。该方程是以非球面元件旋转对称中心顶点为原点建立坐标系而建立的数学表达式。
进一步的,所述步骤S2中:
当变换到B-X * Y * Z *坐标系下的时候,原方程经历了一次旋转变换和一次平移变换,其中新坐标系原点B(e’,0,f 1(e’,0))为加工工具——磨盘在离轴位置处的中心点,新坐标系的X *轴与初始坐标系X轴的夹角θ为:
根据所述夹角θ建立旋转矩阵M r 和平移矩阵M t :
由此获得变换矩阵为:
其中e’为离轴量,f 1(e’,0)为离轴点矢高,f1为求矢高的函数,f1(x,y)为初始坐标系下曲面矢高函数。
进一步的,所述步骤S3中:
将所述曲面方程代入变换矩阵:
获得新坐标系下的表达式为:
其中:
f e(x,y)为曲面方程在新坐标系下的表达式,z为元件曲面,由自变量x,y定义。
进一步的,所述步骤S4中,所述加工匹配度的评价方程为:
其中,其中f lap 为加工工具面形函数表达式。
进一步的,所述加工匹配度为加工工具覆盖在光学元件表面上后与光学元件之间的贴合程度。
进一步的,所建立的初始坐标系的原点为光学元件顶点,初始曲面方程为初始坐标系下的面形描述方程。
进一步的,所述平移矩阵为沿X轴平移。
本发明具有以下有益效果:
1)构建了离轴变斜率非球面光学元件表面曲面在空间中的表达方程式。
2)针对元件离轴位置处的加工建立了离轴加工点坐标系,并推导构建了关于此坐标系的变换矩阵。
3)推导了元件表面曲面方程经过矩阵变换后在离轴加工点坐标系下的通用表达方程式。
4)构建匹配度评价方程,定量描述加工工具与元件之间的接触情况,有利于改进元件光学加工工艺,提升光学加工确定度,减少对经验依赖。
附图说明
图1是本发明计算实例一的加工匹配度示意图;
图2是本发明计算实例二的加工匹配度示意图;
图3是本发明实例中加工工具在元件表面离轴位置处的几何关系图;
图4是加工过程中于任意离轴位置处加工工具与元件匹配度的计算模型。
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,以下结合具体实施案例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
本实例中待加工的离轴变斜率非球面光学元件的参数为口径φ=120mm,顶点曲率R0=629.33mm,二次曲面常数k=-33.1;加工工具为口径D=50mm,半径为RL=673.64mm的半球形工具。
如图1所示为本发明实例中离轴变斜率非球面光学元件在加工过程中,加工工具处于元件顶点位置处,即离轴量为0时,从平面维度展示工具与元件之间的匹配度情况,图中横坐标与纵坐标表示磨盘在元件表面的位置,圆形区域表示磨盘在元件表面所覆盖加工的区域,横坐标表示磨盘在元件X轴方向上覆盖的区域,纵坐标表示在元件Y轴方向上覆盖的区域,右侧栏表示匹配度,不同深浅对应不同匹配度,根据X、Y坐标对应的匹配度绘制出上述圆形区域,空白区域为未覆盖区域。根据所构建模型计算结果,工具与元件曲率越接近处匹配度越好,符合推导结果。
如图2所示为本发明实例中离轴变斜率非球面光学元件在加工过程中,加工工具处于离轴位置处10mm时,在平面维度上工具与元件之间的匹配度情况,图中横坐标与纵坐标表示磨盘在元件表面的位置,圆形区域表示磨盘在元件表面所覆盖加工的区域,横坐标表示磨盘在元件X轴方向上覆盖的区域,纵坐标表示在元件Y轴方向上覆盖的区域,右侧栏表示匹配度,不同深浅对应不同匹配度,根据X、Y坐标对应的匹配度绘制出图2的上述圆形区域,空白区域为未覆盖区域。根据所构建模型计算结果,工具与元件曲率越接近处匹配度越好,并且由于处于离轴位置处加工,匹配度反映情况为非对称状态,符合推导结果。
如图3所示为本发明实例中离轴变斜率非球面光学元件与工具加工过程中,工具在元件表面加工时的工作状态,工具在表面覆盖一与工具半径相关的球面,在元件表面环绕旋转对称圆心做环带旋转运动,本发明所建立模型可评价其在任意运动位置处与元件表面的匹配情况,图中,以光学元件顶点为原点O,建立直角坐标系O-XYZ,该图为从Z轴方向观测的XOY平面,A为磨盘初始位置,磨盘顶点在加工过程中所移动到任意一处时的坐标为B,并且B与A之间的距离e即为离轴量,ω1为加工时磨盘绕元件顶点O公转时的角速度,ω2为加工时磨盘自转的角速度。
如图4所示,为本发明中所建立匹配度评价模型,当加工工具在离轴变斜率非球面光学元件表面任意离轴位置处时,以工具与元件表面相切点建立坐标系,计算工具所覆盖区域与元件表面之间的面形差,此为加工匹配度,图4为从Y轴方向观测元件的XOZ平面,O为原点,Z轴为元件矢高,X轴对应元件半径范围,B为磨盘顶点坐标,以B为原点建立坐标系B-X * Y * Z *,Y *轴平行于Y轴,e’为磨盘顶点在X轴方向上的离轴量,f 1(e’,0)为磨盘顶点位置的矢高。
根据上述分析,离轴变斜率非球面光学元件与工具在加工过程中的匹配度的评价方式主要通过构建元件表面曲面函数及加工工具表面函数在加工过程中的任意离轴位置处的表达式,并计算其间相应差值,且元件曲率与工具曲率越接近匹配情况越好,并且在离轴位置处其匹配情况为非对称状态,依次设计离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法,主要方法步骤如下:
步骤S1:根据元件初始参数在空间中构建离轴变斜率非球面光学元件的曲面方程。非球面元件在空间中曲面面形计算公式如下:
该公式为离轴变斜率非球面光学元件在三维空间中的参数方程表达式。其中,c=1/R 0为顶点曲率,R 0为顶点曲率半径,k为二次曲面系数。该方程是以非球面元件旋转对称中心顶点为原点建立坐标系而建立的数学表达式。
步骤S2:在任意离轴加工区域建立新坐标系,并构建变换矩阵。坐标系需要从以元件顶点建立的初始坐标系O-XYZ变换到局部离轴区域坐标系B-X * Y * Z *。当变换到B-X * Y * Z *坐标系下的时候,原方程经历了一次旋转变换和一次平移变换,其中坐标系原点B(e’,0,f 1(e’,0))为磨盘在离轴位置处的中心点,新坐标系的X *轴与原坐标系X轴的夹角θ为:
则建立其旋转矩阵M r 和平移矩阵M t :
则其变换矩阵为:
其中,e’为离轴量,f 1(e’,0)为离轴点矢高,f1为求矢高的函数,f1(x,y)为初始坐标系下曲面矢高函数;
步骤S3:采用该变换矩阵,将元件表面曲面表达式变换到新坐标系下,获得新坐标系下的元件表面曲面表达式。将元件曲面表达式代入矩阵变换:
获得新坐标系下的表达式为:
其中:
f e(x,y)为曲面方程在新坐标系下的表达式,z为元件曲面,由自变量x,y定义。
步骤S4:在当前坐标系下获得加工匹配度的评价方程为:
其中,其中f lap 为加工工具面形函数表达式。
具体实例计算流程为:选取所需评价的离轴位置,获取离轴坐标及离轴量,将非球面元件实例参数及离轴坐标、离轴量代入步骤S3的新坐标系下表达式中,再用步骤S4中的匹配度评价方程计算匹配度分布情况。图1所示为加工工具在非球面元件实例中心点处所计算出的匹配度分布,由图1可见当加工工具在元件中心处时,离轴量为0,匹配度呈旋转对称分布,并随着元件曲率的变化情况均匀变化。由图2所示为加工工具处于离轴位置10mm处时,离轴量为10mm,匹配度呈非对称式分布。根据该匹配度分布图可直观获取加工工具在元件表面加工时与元件的匹配度情况,用于在加工前选取合适的加工工具,以及预测加工后面形质量。
本发明实例中离轴变斜率非球面光学元件与工具的匹配度评价模型是基于工具在表面覆盖一与工具半径相关的球面,在元件表面环绕旋转对称圆心做环带旋转运动所建立。
本发明针对离轴变斜率非球面光学元件的加工提出加工匹配度的概念及评价方法,以描述在加工过程中工具与元件之间的接触情况,提高加工后元件面形质量以及元件加工的确定性。
以上所述,仅是本发明的较佳设计及步骤而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳设计及步骤如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤S1:根据所述离轴变斜率非球面光学元件的初始参数在空间中构建该光学元件的曲面方程;
步骤S2:在任意离轴加工区域建立新坐标系,并构建坐标系变换矩阵;所述建立新坐标系为从以光学元件顶点建立的初始坐标系O-XYZ变换到局部离轴区域坐标系B-X * Y * Z *;
步骤S3:采用所述变换矩阵,将所述曲面方程变换到所述新坐标系下,获得新坐标系下的光学元件表面的曲面表达式;
步骤S4:在当前坐标系下获得加工匹配度的评价方程。
6.如权利要求1所述的一种离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法,其特征在于,所述加工匹配度为加工工具覆盖在光学元件表面上后与光学元件之间的贴合程度。
7.如权利要求3所述的一种离轴变斜率非球面光学元件加工匹配度评价方法,其特征在于,所述平移矩阵为沿X轴平移。
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