专利名称：能修除光学元件局部误差的离子束极轴加工方法
技术领域：
本发明属于光学元件的离子束加工领域，尤其涉及一种光学元件的离子束极轴加工方法。
背景技术：
光学镜面离子束加工方法利用离子溅射效应从原子尺度去除材料，利用近高斯束流入射
工件形成近高斯分布的去除函数，再基于光学镜面成型(ccos)原理对镜面误差进行确定性
修正，具有高精度、高确定性、非接触无磨损和无边缘效应等特征。但离子朿加工材料去除 原理决定了整个加工过程必须在真空环境中完成，此决定了离子束加工系统构建复杂，使用
维护费用高。
离子束加工方法一般采用xy线性扫描方式对镜面任意形态误差进行修除，从而加工运动 系统的运动行程必须与镜面尺度相当，加工大镜面必须构建大系统。也可以利用极轴运动方 式修除镜面误差，同时将运动行程降低为线性运动的一半。现有的极轴运动方式仅仅能够修 除镜面的M转对称误差，这限制了其在工艺中的应用，不能够从根本上降低运动系统的要求。 现有的极轴运动加工方法之所以不能够修除镜面的局部误差源于该类方法首先就假设镜面的 误差具有回转对称特性，且加工时镜面的回转运动和离子源的线性运动不能够反映镜面的局 部特征。所以要利用极轴运动修除镜面任意形态的误差必须抛弃原始假设，对加工系统的运 动进行改进以便能够反映镜面局部特性。
本发明主要解决的技术问题是抛弃现有极轴加工方式建模过程中对镜面仅仅具有回转对 称误差的假设，建立能够反映光学镜面真实误差的模型，同时在加工工艺中控制离子束加工 系统的运动速度和路径规划方式以反映光学镜面的局部特性，得到一种能修除光学元件局部 误差的离子束极轴加工方法。
为解决上述问题，本发明提出技术方案为种能修除光学元件局部误差的离子束极轴加 丁方法，包括以下歩骤
(1) 实验获取去除函数应用修形工艺过程进行去除函数实验获取去除函数，记为&
(2) 去除函数的回转对称处理首先利用高斯函数对去除函数进行拟合分析以确定去除
函数的最优回转对称中心，确定最优回转对称中心的计算公式为
发明内容
4式(1)中，J为拟合后去除函数的宽度参数(去除函数的宽度为6a)， ^为拟合后去除 函数峰值去除率，&、 ^为去除函数偏心参数，JC， ^为位置坐标分量；
然后以最优回转对称中心作为去除函数中心对去除函数进行回转对称处理，以获取建模 用去除函数A (p)，其矩阵形式记为及(进行离散后得到)，回转对称处理的计算式为
,)=^J^'(W), (2)
式(2)中，/)为极轴坐标的半径，伊为极轴坐标的角度，W'-i^〔jc-^，y-^〕；
(3) 获取面形误差函数通过波面干涉仪测量待加工元件全口径内的面形误差数据，并 进行消除趋势、定心和边缘确定等处理，测量结果记为E;
(4) 建立成型模型和计算驻留时间密度分布通过以上对去除函数的回转对称处理，忽 略去除函数的非回转对称特性对成型的影响，以将成型过程线性化，根据计算机控制光学成
型(ccos)原理建立建模用去除函数矩阵及、面形误差矩阵五和驻留时间矩阵r之间的关
系为
￡ = / r (3)
式(3)中，O表示巻积运算；
根据获取的建模用去除函数W和待加工光学镜面的面形误差函数E，利用现有的诸如脉
冲迭代方法或者贝叶斯(Bayesian)迭代方法求解式(3)中的驻留时间矩阵r，并将直角坐
标系中的驻留时间r Oc,"转换到极坐标中得到极坐标系中的驻留时间r (P");
(5) 阿基米德路径中的驻留时间求解选取合适的螺距^ a大于o且小于去除函数宽
度的1/6)生成阿基米德螺旋路径(如图1所示)，阿基米德路径极轴半径p与极角0之间的 关系为
yO = /W (4)
根据极角6的离散间隔必(r附x必应小于去除函数宽度的六分之一，其中nw为待加工 元件的半径)计算待加工元件的镜面上每一个离散扇形区域驻留时间f 根据计算出的
区域驻留时间r 再计算出任意环带/上的环带总驻留时间r,， / 和r,的计算公式
分别为
<formula>formula see original document page 5</formula>) (6)
(6) 螺距的调整判断任意环带总驻留时间r,是否小于离子束加工系统以最大旋转速
度运动一圈的时间Tc，如果K小于rc，则增大此环带的螺距fc直至该环带总驻留时间等于或大于7;;如果r,大于或等于rc，则直接转入步骤(7);
(7) 离子束的数控修形加工计算离子束修形加工中镜面上任意离散扇形区域处镜面回 转运动和离子源线性运动的合成运动速度V (p")，计算式为
祷^R ( )
根据扇形阿基米德螺线离散信息/>=秘以及各离散扇形区域的合成运动速度^ (A 0)生 成控制光学元件回转和离子源线性运动的数控代码，再进行离子束的数控修形加工；
(8) 对数控加工后的元件再次进行面形误差测量，记为￡7，若面形精度^不满足精度 要求则转至步骤(4)并以^代替E计算驻留时间，重复步骤(4) ~ (7)直至满足待加工元 件的面形精度要求。
与现有技术相比，本发明的优点在于针对离子束加工中去除函数具有近高斯分布的特 性，在寻找去除函数最优回转中心的基础上，对去除函数进行回转对称化处理，将极轴加工 方式近似用线性巻积模型表达，进而用常规的线性扫描法解决驻留时间密度函数的确定问题。 通过引入反映面形误差和驻留时间二维特性的变速度实现方法，从而克服传统极轴加工方式 不能对镜面的非回转对称误差进行误差修正的缺陷。此外，本发明还通过改变加工路径中的 螺距策略，既有效解决了驻留时间值很小或者极轴半径很小时系统的运动速度过大问题，又 不增大总的加工时间，保证了加工效率。
本发明工艺利用高稳定性和确定性的离子束加工方法及分极轴加工方式，在现有较小的 加工系统中能实现大口径光学元件镜面的加工，降低了镜面尺寸对加工系统尺寸的要求，以 充分挖掘现有光学加工设备的加工潜力，节约加工成本，对光学加工设备的性能提升具有重 要意义。
图1为本发明的阿基米德螺线离散示意图； 图2为本发明实施例中去除函数测量结果分布图； 图3为本发明实施例中经回转对称处理后的去除函数分布图； 图4为本发明实施例中待加工镜面的初始面形误差数据图； 图5为本发明实施例中的驻留时间密度函数分布图； 图6为本发明实施例中镜面修形后的面形误差数据图； 图7为本发明实施例中镜面修形前的加工预测面形图。
具体实施方式
实施例
6本实施例的离子束抛光工艺在一台离子束抛光设备(可选用KDIFS-500型)上进行，工 艺参数设置为工作气体为氩气，工作真空0.8x10—2Pa，离子能量1100eV，束电流25mA。 被抛光的试验工件为直径100mm的普通微晶玻璃。
通过下述方法歩骤对上述的微晶玻璃进行离子束抛光
1、 确定去除函数应用上述离子束抛光工艺过程进行去除函数试验，获取的去除函数记
为A (XjO，其分布如图2所示；
2、 去除函数的回转对称处理根据歩骤1中获取的去除函数，对去除函数进行寻找最优
回转中心以及回转对称处理，回转对称处理中各项参数的值为^4=0.0056 nm/s， <r=5.9mm， &c =0.5mm、々=0.34mm，回转对称处理后的W的分布如图3所示；
3、 利用波面干涉仪测量待加工镜面的初始面形误差E，其分布如图4所示；
4、 根据处理后的去除函数矩阵/ 和初始面形误差矩阵E，利用Bayesian迭代算法计算 加丁所用驻留时间密度函数，并转换到镜面的极坐标中得到T (p")，驻留时间密度函数分布 如图5所示；
5、 阿基米德路径中的驻留时间求解选取[7,ll)mm、 [ll,17)mm和[17,oo)mm环带内的螺 距分别为4mm、 2mm和lmm，选取极角离散间隔为1。对镜面进行阿基米德螺线离散，计算 每一离散扇形区域的驻留时间/和环带驻留时间r,，分析表明，T,均大于以100/9转每秒最大
转速运动一圈的时间i; (rc=5.4s);
6、 计算离子束加工中镜面上任意离散扇形区域处镜面回转运动和离子源线性运动的合成
运动速度v，结合扇形离散信息生成数控代码，输入到上述的离子束抛光设备中，再对镜面
进行离子束数控修形加工；
7、 对上述数控加工后的元件再次进行面形误差测量，测量结果如图6所示，均方根精度 为0.009波长(一个波长为632.8nm)，满足本实施例0.01波长的均方根精度要求。图7为加 工预测结果分布图(利用公式五-及⑧r进行预测)，两者在面形结构上基本吻合。
上述加工结果表明，离子束螺旋路径加工方法具有与全口径扫描加工一样的面形误差修 形能力，且加工成本由于扫描运动机构的运动范围减小(只有全口径扫描的1/2)而大大縮减。 本发明所提出螺旋路径加工方法由于保持了面形误差和驻留时间的二维特征，从而克服传统 极轴方式不能对镜面的非回转对称误差进行误差修正的缺陷。极轴加工与普通的全口径加工 一样是一种高效率、高确定性的加工方法，能够对镜面进行精确修形，同时可以节约加工成 本。
权利要求
1、一种能修除光学元件局部误差的离子束极轴加工方法，包括以下步骤(1)实验获取去除函数应用修形工艺过程进行去除函数实验获取去除函数，记为Rc(x，y)；(2)去除函数的回转对称处理首先利用高斯函数对去除函数进行拟合分析以确定去除函数的最优回转对称中心，确定最优回转对称中心的表达式为式(1)中，σ为拟合后去除函数的宽度参数，A为拟合后去除函数峰值去除率，δx、δy为去除函数偏心参数，x，y为位置坐标分量；然后以最优回转对称中心作为去除函数中心对去除函数进行回转对称处理，以获取建模用去除函数R(ρ)，其矩阵形式记为R，回转对称处理的计算式为式(2)中，ρ为极轴的半径，θ′为极轴的角度，(3)获取面形误差函数通过波面干涉仪测量待加工元件全口径内的面形误差数据，并进行消除趋势、定心和边缘确定处理，测量结果记为E；(4)建立成型模型和计算驻留时间密度分布根据计算机控制光学成型原理建立建模用去除函数矩阵R、面形误差矩阵E和驻留时间矩阵T之间的关系为式(3)中，表示卷积运算；利用迭代求解方法求解式(3)中的驻留时间矩阵T，并将直角坐标系中的驻留时间T(x，y)转换到极坐标中得到极坐标系中的驻留时间T(ρ，θ)；(5)阿基米德路径中的驻留时间求解选取螺距k生成阿基米德螺旋路径，阿基米德路径极轴半径ρ与极角θ之间的关系为ρ＝kθ (4)根据极角θ的离散间隔dθ计算待加工元件的镜面上每一个离散扇形区域驻留时间t(ρ，θ)，根据计算出的区域驻留时间t(ρ，θ)再计算出任意环带i上的环带总驻留时间Ti，t(ρ，θ)和Ti的计算公式分别为t(ρ，θ)＝T(ρ，θ)ρkdθ (5)(6)螺距的调整判断任意环带总驻留时间Ti是否小于离子束加工系统以最大旋转速度运动一圈的时间Tc，如果Ti小于Tc，则增大此环带的螺距k直至该环带总驻留时间等于或大于Tc；如果Ti大于或等于Tc，则直接转入步骤(7)；(7)离子束的数控修形加工计算离子束修形加工中镜面上任意离散扇形区域处镜面回转运动和离子源线性运动的合成运动速度v(ρ，θ)，计算式为根据扇形阿基米德螺线离散信息ρ＝kθ以及各离散扇形区域的合成运动速度v(ρ，θ)生成控制光学元件回转和离子源线性运动的数控代码，再进行离子束的数控修形加工；(8)对数控加工后的元件再次进行面形误差测量，记为E′，若面形精度E′不满足精度要求则转至步骤(4)并以E′代替E计算驻留时间，重复步骤(4)～(7)直至满足待加工元件的面形精度要求。
2、 根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于所述驻留时间矩阵T的迭代求解方法为 脉冲迭代方法或者贝叶斯迭代方法。
3、 根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于所述极角0的离散间隔必满足 小于建模用去除函数及宽度的六分之一，其中rm为待加工元件的半径。
4、 根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于所述螺距A大于0且小于去除函数及宽 度的六分之一。
全文摘要
本发明公开了一种能修除光学元件局部误差的离子束极轴加工方法，包括以下步骤首先通过实验获取去除函数，然后对去除函数进行回转对称处理，再利用波面干涉仪获取元件的面形误差函数，建立成型模型并计算驻留时间的密度分布，在阿基米德路径中求解驻留时间，然后视情况调整螺距，并根据扇形阿基米德螺线离散信息以及各离散扇形区域的合成运动速度生成数控代码，进行第一次数控修形加工，最后视情况重复一次以上的上述加工步骤直至满足工件的精度要求。本发明的加工方法降低了镜面尺寸对加工系统尺寸的要求，节约了加工成本，克服了传统极轴加工方式不能对镜面的非回转对称误差进行误差修正的缺陷，保证了加工效率。
文档编号C03C23/00GK101456681SQ200910042429
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者林 周, 戴一帆, 李圣怡, 焦长君, 解旭辉, 谷文华, 郑子文 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学