专利名称：离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法
技术领域：
本发明属于光学加工领域，尤其涉及一种离子束抛光工艺过程中进行精度控制的工 艺方法。
技术背景现有的离子束抛光控制工艺，对于面形收敛精度的控制是基于经验进行的，对面形 收敛精度缺乏预测和控制的能力。例如，根据已知的误差面形和去除函数，现有技术只 能求解出一组驻留时间，这样，在精度要求高的情况下，求解出的驻留时间往往无法满 足要求，而精度要求低的情况下，求解出的驻留时间又常常偏大，加工时间偏长。 发明内容本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、可控性强、 效率较高的离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法。为解决上述技术问题，我们提供的技术方案为一种离子束抛光工艺中面形收敛精度 的控制方法，该方法首先建立确定性抛光过程的线性模型，再根据求解驻留时间的截断 奇异值方法中截断参数与残差的关系，计算出满足加工精度要求的驻留时间，再以该加 工驻留时间进行加工，从而实现对加工精度的控制，具体包括以下步骤(1) 获取抛光工艺的去除函数用确定性抛光工艺过程进行去除函数试验获取去除 函数或者直接选用已经获取并保留下来的去除函数，经试验获取的或直接选用的去除函 数记为6(X，力；(2) 检测面形误差分布采用面形检测装置检测待加工光学镜面的面形误差分布， 将检测得到的面形误差分布记为z(;c，;;)；(3) 建立抛光工艺的加工过程模型在所述光学镜面上适当选取m个加工量分布 点，第/点(1S"附)的坐标记为(x,j,)，则该第/点处的期望加工量为z,."(x^,)，所有Z,按顺序组成一个期望加工量向量^;同时，在所述光学镜面上及镜面边缘外适当 选取W个加工驻留分布点，第/点(1SJ'S")的坐标记为"pV」，设第/点处的原始加 工驻留时间为。，所有的。.按顺序组成一个原始驻留时间向量/;当离子束在驻留加工分布点y点(",，vj停留时间。.时，对加工量分布点/点(Xj,^)的材料去除量为 = 力，则所有的驻留加工点对某一加工量分布点i点(A,x;)的材料去除量总和为r,. =t 。.，把所有加工量分布点的材料去除量。按顺序组成一个材料去除量向量/",则加工过程模型可表示为/ = ^,其中j为m行"列的加工矩阵，第/行第_/列的元素为 ，(4)根据加工精度求解原始驻留时间向量加工的目的是使实际的材料去除量向量 r等于期望加工量向量^，所以加工过程中要确定线性方程组^=^^的解，但一般不存在正好相容的解Z'，使得^4/'-^，这使问题的求解变得复杂，但是我们可以根据加工要 求的精度(即残差的rms值)求解出原始驻留时间向量/，求解公式为/ =fi&r/，其中O",为加工矩阵^的第个奇异值，奇异值的顺序满足q 2cr2 2a3 2…2C7mx 2 0，//, 和r,分别是奇异值o"i对应的左奇异向量和右奇异向量，截断参数A:为满足不等式(5)数控加工中对面形收敛精度的控制当计算所得的各驻留加工分布点的原始加 工驻留时间。.中未出现负值时，根据上述求解得到的原始驻留时间向量/中的各元素。.和其坐标(^，vj生成数控加工代码，通过数控加工实现离子束抛光工艺中对面形收敛精度的控制；当计算所得的各驻留加工分布点的原始加工驻留时间。.中出现负值时，由于加工中的驻留时间不能为负值，所以一般需要对求解得到的原始驻留时间向量/进行修正，各点 驻留时间的修正公式为^ :。，min(。.)，其中/。为各驻留加工分布点的修正加工驻留时间(lSa^n)，修正的目的是使各驻留加工分布点的原始加工驻留时间中的最小值 min^.)-0，所有的^组成修正驻留时间向量Z'，再根据Z'的元素f。和其坐标^.，v」生成数控加工代码，再通过数控加工实现对面形收敛精度的控制与现有技术相比，本发明的优点在于本发明的方法可以根据不同的加工精度的要 求计算出不同的加工驻留时间， 一般地，当加工精度要求低时，加工时间少，反之，加工精度要求高时，加工时间长。因此，通过计算上述驻留时间，并根据计算结果对抛光 加工过程中的驻留时间进行控制，可以实现离子束抛光工艺中对面形收敛精度的控制， 使得在加工精度要求较低时，能以较高的效率完成加工，节省加工时间，而在加工精度 要求较高时，又能满足精度要求，提高工艺的精准性。
图1为实施例1中试验获得的去除函数分布图；图2为实施例1中测得的待抛光光学镜面的面形误差分布图；图3为实施例1中计算所得的原始驻留时间分布图；图4为实施例1中修正后的加工驻留时间分布图；图5为实施例1中光学镜面真实加工后的面形残差图；图6为实施例2中测得的待抛光光学镜面的面形误差分布图；图7为实施例2中计算所得的原始驻留时间分布图图8为实施例2中修正后的加工驻留时间分布图；图9为实施例2中光学镜面真实加工后的面形残差图；在图2、图5、图6和图9中，PV值为表面形貌误差的最大峰谷值，RMS值为表面 形貌误差的均方根值。
具体实施方式
实施例l:r附s = O.OU的离子束抛光工艺离子束抛光工艺机床为一台普通的离子束抛光设备，基本的工艺参数为工作气体 为氩气、工作真空1.6xl(T2Pa、离子能量1000eV、束电流30mA，试验工件为直径lOOmm 的普通微晶玻璃。通过下述方法步骤对所述的普通微晶玻璃进行离子束抛光工艺1、 获取抛光工艺的去除函数应用上述确定性抛光工艺进行去除函数试验，将获取 的去除函数记为60c,y)，结果如图l所示；2、 检测面形误差分布采用激光干涉仪检测待加工光学镜面的面形误差分布，将检 测得到的面形误差分布记为^JC，jO，结果如图2所示；3、建立抛光工艺的加工过程模型按照2mm的间距在整个光学镜面上选取加工量 分布点，总共取1869个点，第/点(KW1869 )的坐标记为^，;0，并将在这些点处的期望加工量z, (z, =zfe,:0)按顺序组成一个期望加工量向量^;同时，在光学镜面 平面内半径为65mm的圆内也按2mm的间距选取驻留加工分布点，总共取3281个驻留 加工分布点，第;'点(1^/^3281 )的坐标记为(",，v」，设第y'点处的原始加工驻留时间为~，所有的。.按顺序组成一个原始驻留时间向量/;设加工时离子束在驻留加工分布点(^.,^)停留时间~ ，则所有的驻留加工分布点对某一加工量分布点/点(;c,，y,.)的材料去除量总和为r,. =2>^.，把所有加工量分布点的材料去除量^按顺序组成一个材料去除量向量r，则加工过程模型可以表示为r-JZ，其中>4为1869行3281列的加工矩阵，第/ 行第_/列的元素为ay ， =6(x,. —",，y, —v;);4、根据加工精度求解原始驻留时间向量:加工的目的是使实际的材料去除量向量/ 等 于期望加工量向量^，所以加工过程中要确定线性方程组^=^/的解，我们可以根据加工要求的精度(即残差的rms值)求解出原始驻留时间向量/，求解公式为f =f^T,，其中o",为加工矩阵j的第/个奇异值，奇异值的顺序满足q 2cr2》o"3 2…2q,咖20， ;/,和1";分别是奇异值0",对应的左奇异向量和右奇异向量，其中的截断参数k为满足不等式S ("「&)《w^的最小值，在本实施例中要求的mw-0.0U,其中义为激光干涉仪的激光波长，A = 0.6328pm，计算出截断参数;t = 138 ，而得到的原始驻留时间向量/在 二维平面上的分布如图3所示；5、 修正驻留时间由于本实施例中计算所得的各点原始加工驻留时间。.中出现负值，因此需要对原始驻留时间向量f进行修正，各点原始加工驻留时间的修正公式为 r。-^-min(。.;) (lSfl^3281 )，上述步骤4计算得到的原始驻留时间向量,经修正之后，得到的修正驻留时间向量,如图4所示，总驻留时间(加工时间)为34.14min;6、 根据修正驻留时间向量生成数控加工代码进行加工本实施例的加工精度要求是O.OU，总加工时间为34.14min，根据最后的修正驻留时间向量Z'的元素f。和其坐标 (w,，v」，采用现有技术生成数控加工代码，再通过数控加工实现对面形收敛精度的控制。 离子束加工完成后，采用激光干涉仪检测了加工后的光学镜面的面形误差分布，检测结果如图5所示，实际加工的精度是0.012;i，与计算精度o.oi;i基本吻合。实施例2:= 0.03;i的离子束抛光工艺离子束抛光工艺机床为一台离子束抛光设备，基本的工艺参数为工作气体为氩气、工作真空1.6xl(T2Pa、离子能量1000eV、束电流30mA，试验工件为直径100mm的普通 微晶玻璃。通过下述方法步骤对所述的普通微晶玻璃进行离子束抛光工艺1、 获取抛光工艺的去除函数由于抛光工艺条件与实施例l完全相同，所以无需重 新做去除函数试验，直接采用实施例1获得的去除函数，如图1所示；2、 检测面形误差分布采用激光干涉仪检测待加工光学镜面的面形误差分布，将检测得到的面形误差分布记为z(x，力，结果如图6所示；3、 建立抛光工艺的加工过程模型按照2mm的间距在整个光学镜面上选取加工量 分布点，总共取1829个点，第z'点(1^'S1829)的坐标记为^，;;,;)，并将在这些点处的期望加工量^ =zfe，>0)按顺序组成一个期望加工量向量；；同时，在光学镜面平面内半径为65mm的圆内也按2mm的间距选取驻留加工分布点，总共取3281个驻留 加工分布点，第_/点(1^_/^3281 )的坐标记为("pvj，设第_/点处的原始加工驻留时间所有的/,按顺序组成一个原始驻留时间向量"设加工时离子束在驻留加工分布点k，vJ停留时间^，则所有的驻留加工分布点对某一加工量分布点/点(jc,.，;0的材料去除3281量总和为。=|>y。.，把所有加工量分布点的材料去除量^按顺序组成一个材料去除量向量/"，则加工过程模型可以表示为r二A，其中4为1829行3281列的加工矩阵，第/行第_/歹!j的元素为 ，fl〃. = — ■,- V乂.)；4、 根据加工精度求解原始驻留时间向量根据与实施例1相同的计算方法求解截断参数A的值，但由于本实施例中要求的Ams-0.03;i，所以计算出的截断参数& = 47，得 到的原始驻留时间向量/在二维平面上的分布如图7所示；5、 修正驻留时间由于本实施例中计算所得的各点原始加工驻留时间^中出现负值，因此可根据与实施例1相同的方法对原始驻留时间向量f进行修正，上述步骤4中计算得 到的原始驻留时间向量/经修正之后，得到的修正驻留时间向量Z'如图8所示，总驻留时 间(加工时间)为25.08min;6、 根据修正驻留时间向量生成数控加工代码进行加工本实施例的加工精度要求是 0.03X，总加工时间为25.08min，根据最后的修正驻留时间向量Z'的元素f。和其坐标t/,，v,)，采用现有技术生成数控加工代码，再通过数控加工实现对面形收敛精度的控制。离子束加工完成后，采用激光干涉仪检测了加工后的光学镜面的面形误差分布，检 测结果如图9所示，实际加工的精度是0.032;i，与计算精度0.03;i基本吻合。由实施例1和实施例2比较可以看出，虽然实施例2中镜面的初始面形(0.144义rms) 比实施例1中的镜面初始面形差，但是由于实施例2中要求的面形精度(0.03A rms)低 于实施例1中要求的面形精度(O.Oi;irms)，采用本发明所提出的面形收敛控制方法计算 所得的实施例2的加工时间(25.08min)比实施例1的加工时间G4.14min)短。9
权利要求
1. 一种离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法，包括以下步骤(1)获取抛光工艺的去除函数用确定性抛光工艺过程进行去除函数试验获取去除函数，经试验获取的去除函数记为b(x，y)；(2)检测面形误差分布采用面形检测装置检测待加工光学镜面的面形误差分布，将检测得到的面形误差分布记为z(x，y)；(3)建立抛光工艺的加工过程模型在所述光学镜面上选取m个加工量分布点，第i点的坐标记为(xi，yi)，1≤i≤m，则第i点处的期望加工量为zi＝z(xi，yi)，所有的zi按顺序组成一个期望加工量向量ze；同时，在所述光学镜面上及镜面边缘外选取n个驻留加工分布点，第j点的坐标记为(uj，vj)，1≤j≤n，设第j点处的原始加工驻留时间为tj，所有的tj按顺序组成一个原始驻留时间向量t，则所有的驻留加工分布点对某一加工量分布点i点的材料去除量总和为<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>a</mi> <mi>ij</mi></msub><msub> <mi>t</mi> <mi>j</mi></msub><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100309575C00011.gif" wi="21" he="10" top= "148" left = "81" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->把所有加工量分布点的材料去除量ri按顺序组成一个材料去除量向量r，则加工过程模型表示为r＝At，其中A为m行n列的加工矩阵，第i行第j列的元素为aij，aij＝b(xi-uj，yi-vj)；(4)根据加工精度求解原始驻留时间向量根据加工要求的精度求解线性方程组ze＝At中的原始驻留时间向量t，求解公式为<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi></munderover><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>μ</mi> <mi>i</mi> <mi>T</mi></msubsup><msub> <mi>z</mi> <mi>e</mi></msub> </mrow> <msub><mi>σ</mi><mi>i</mi> </msub></mfrac><msub> <mi>τ</mi> <mi>i</mi></msub><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2008100309575C00012.gif" wi="26" he="10" top= "191" left = "111" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->其中σi为加工矩阵A的第i个奇异值，奇异值的顺序满足σ1≥σ2≥σ3≥…≥σm×x≥0，μi和τi分别是奇异值σi对应的左奇异向量和右奇异向量，截断参数k为满足不等式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>m</mi><mo>×</mo><mi>n</mi> </mrow></munderover><msup> <mrow><mo>(</mo><msubsup> <mi>μ</mi> <mi>i</mi> <mi>T</mi></msubsup><msub> <mi>z</mi> <mi>e</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>≤</mo><msup> <mi>rms</mi> <mn>2</mn></msup><mo></mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0003" file="S2008100309575C00013.gif" wi="31" he="9" top= "219" left = "135" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->的最小值，其中rms为加工要求达到的精度；(5)数控加工中对面形收敛精度的控制当计算所得的各驻留加工分布点的原始加工驻留时间tj中未出现负值时，根据上述求解得到的原始驻留时间向量t中的各元素tj和其坐标(uj，vj)生成数控加工代码，通过数控加工实现离子束抛光工艺中对面形收敛精度的控制；当计算所得的各驻留加工分布点的原始加工驻留时间tj中出现负值时，利用公式ta＝tj-min(tj)对各驻留加工分布点的原始加工驻留时间进行修正，其中ta为各驻留加工分布点的修正加工驻留时间，min(tj)为各驻留加工分布点的原始加工驻留时间中的最小值，所有的ta组成修正驻留时间向量t′，根据修正后的驻留时间向量t′的元素ta和其坐标(uj，vj)生成数控加工代码，再通过数控加工实现对面形收敛精度的控制。
全文摘要
本发明公开了一种离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法，该方法是通过首先获取抛光工艺的去除函数b(x，y)，然后检测待加工光学镜面的面形误差分布z(x，y)，再根据b(x，y)和z(x，y)建立确定性抛光过程的线性模型，根据建立的线性模型和加工精度求解驻留时间向量，再对计算所得的驻留时间进行必要的修正后，以该加工驻留时间进行抛光加工。通过对抛光加工过程中的驻留时间进行控制，可以实现离子束抛光工艺中对面形收敛精度的控制，使得在加工精度要求较低时，能以较高的效率完成加工，节省加工时间，而在加工精度要求较高时，又能满足精度要求，提高工艺的精准性。
文档编号C03C23/00GK101261511SQ20081003095
公开日2008年9月10日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者林 周, 尹自强, 戴一帆, 李圣怡, 王建敏, 解旭辉, 郑子文 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学