专利名称：用于非球面加工的离子束修形加工方法
技术领域：
本发明涉及光学元件加工技术领域，尤其涉及一种曲面光学元件的离子束修形加 工方法。
背景技术：
离子束修形是应用于光学零件确定性加工的一种新技术。离子束修形是在真空环 境中，使用离子源发射的离子束轰击光学镜面，利用离子轰击产生的物理溅射现象去除光 学零件表面的材料。离子束修形具有纳米量级的加工精度，是高确定性、高稳定性和非接触 的加工方式。离子束修形克服了传统方法修形加工过程中的边缘效应、刀具磨损和压力负 载等缺点。如图1中的A图所示，目前的离子束修形加工方法在实现对非球面等光学曲面1 的加工时，为了保持去除函数稳定不变，需要使离子束2垂直入射光学曲面1，即离子束2方 向保持与光学曲面1的法线方向处重合。由于非球面等光学曲面1上法线方向是空间改变 的，因此加工时，离子束2的入射方向也必须是空间改变的，以处处重合光学曲面1的法线 方向(如图1所示)。所以，离子束2修形加工非球面等光学曲面1时，离子源3相对工件 需要5个运动自由度，即调整位置的X、Y和Z三个线性运动自由度和调整姿态的ey 两个旋转自由度。因此，为实现非球面等光学曲面的修形加工，目前的离子束修形加工中必 须使用五轴联动，加工设备必须具备五轴联动的运动系统。而五轴联动的运动系统不仅操 作复杂，制备成本高，而且加工效率和加工效果还有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种稳定性好、加工精 度高、可控性强、对设备要求低的用于非球面加工的离子束修形加工方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种用于非球面加工的离子束修 形加工方法，包括以下步骤(1)检测面形误差利用面形检测装置对待加工光学元件的非球面光学曲面进行 面形误差检测，获取该光学曲面的面形误差分布数据R，记为r(x，y)；(2)确定去除函数应用离子束修形加工过程进行去除函数试验获取去除函数 P (或者直接使用已经获取并保留下来的去除函数)，记为ρ (χ, y)；(3)建立加工路径采用现有路径规划方法(例如直线式光栅路径)，根据待加工 光学元件的形状和尺寸建立离子束修形加工路径；(4)测算入射角在垂直于待加工光学元件光轴的平面内建立X-Y直角坐标系，根 据其光学曲面的曲面方程Z = h(x，y)，测算该光学曲面各点法线与垂直入射离子束的夹 角，即入射角Φ ；(5)确定驻留时间密度函数利用计算模型r(x，y) = η (χ, y) · [ρ (χ, y)* τ (χ, y)]和驻留时间迭代算法，计算本次加工控制所用的驻留时间密度函数τ (χ, y)和材料去除量M;本步骤中采用了与现有技术不同的计算模型，现有技术中，由于去除函数p(X，y) 保持不变，因此在求解驻留时间密度函数τ (χ, y)时，仅仅通过卷积方程r(x，y) =p(x,
(x, y)即可进行求解，即在现有的五轴联动系统加工中的材料去除量r(x，y)等于去 除函数P(X，y)与驻留时间密度函数τ (x,y)的空间二维卷积；而本发明方法的后续数控修 形加工步骤中，由于是采用线性三轴联动系统进行加工，去除函数p(x，y)是空间变化的， 因此现有的卷积方程难以继续用于求解，利用现有技术无法实现线性三轴加工方式的驻留 时间解算，因此我们采用了计算模型r(x，y) = η (χ, y) · [ρ(χ,γ)*τ (x,y)]；该计算模型 表明线性三轴加工中的材料去除量r(x，y)等于通常的去除函数p(x，y)与驻留时间密度函 数τ (χ, y)的空间二维卷积，再乘以相应的材料去除率系数η (x, y)；因此，通过该计算模 型可以求解出线性三轴加工中用于控制加工过程的驻留时间密度；在所述计算模型中，r(x, y)即为步骤(1)中检测获取的面形误差分布数据，P (X， y)即为步骤O)中获取的去除函数，n (x,y)为材料去除率系数(材料去除率系数是由于 离子束倾斜入射导致的材料去除率变化引入的系数)，材料去除率系数η(χ，y)的物理意 义是指加工过程中在曲面点(x，y)处的材料去除速率相对于平面的材料去除速率之比；根据 Sigmund 建立的溅射理论(Peter Sigmund, Theory of Sputtering. I.Sputtering Yield of Amorphous and Polycrystalline Targets. Phy. Rey. ,184(2) p. 383-416. 1969)，溅射过程中溅射的强弱可用溅射产额Ytl来描述，溅射产额Ytl定义为平均 一个入射离子溅射出的材料表面原子数；溅射产额Ytl同样是入射角Φ的函数，且随入射角 Φ的变化而变化；此处我们引入相对溅射产额Y，相对溅射产额Y定义为Υ(φ) = Υ0(φ)/ Yci(O),其中Υ(Φ)为相对溅射产额函数，YcXΦ)为入射角Φ处平均一个入射离子溅射出的 材料表面原子数，Y0(O)为入射角0°处平均一个入射离子溅射出的材料表面原子数；根据 该定义，Y(O) = 1，即入射角为零时(垂直入射)，相对溅射产额为1 ；本步骤中，所述的材料 去除率系数n (x，y)仅与入射角Φ有关，即n (x，y) = f[ θ (x，y)]，其值等于相对溅射产 额大小，即n (x, y) = Υ(Φ)；根据Sigmimd理论，相对溅射产额函数Υ( Φ)随着入射角Φ 的增大而增大，最小值Y(O) = 1，据此材料去除率系数η (x,y)总是大于或等于1，即η (χ, y) ^ 1 ；可见，线性三轴加工中的材料去除量较大，采用线性三轴加工方式的材料去除效率 更高，计算所得的驻留时间也将较小，因此采用线性三轴加工方式可以明显缩短离子束修 形加工时间，提高修形加工的效率；本步骤中材料去除率系数η (χ, y)的计算步骤为①计算光学曲面上加工点(X， y)处的入射角Φ (x,y)；②计算相对溅射产额随入射角度变化的相对溅射产额函数Υ(Φ)； ③根据计算所得的入射角Φ (χ, y)和相对溅射产额函数Υ(Φ)确定出光学曲面上加工点 (x，y)处的材料去除率系数n(x，y)；其中，步骤②中相对溅射产额函数Υ(Φ)的计算可以 通过实验的方法确定，也可通过现有的理论方法计算；(6)确定加工路径上各加工点的驻留时间根据步骤(5)中获取的驻留时间密度 函数τ (x，y)，利用现有方法计算加工路径上各加工点处离子束的驻留时间；(7)数控修形加工根据步骤(3)中已建立的加工路径和步骤(6)计算所得的驻 留时间，对待加工光学元件的光学表面进行数控修形加工；数控修形加工过程中，离子束沿 平行于待加工光学元件光轴方向入射光学曲面，通过离子束发生装置的线性三轴联动系统对所述光学表面进行数控修形加工；(8)检测加工后面形误差利用面形检测装置对数控修形加工后的光学曲面进行 面形误差检测，获取加工后的面形误差分布数据E，记为r' (x,y)；(9)校正去除函数根据加工前、后的面形误差分布数据和材料去除量M对所述去 除函数P进行校正，校正公式为P' = YPy = min | | R-E- yM|其中，P'为校正后的去除函数，Y为校正系数；(10)迭代加工使用校正后的去除函数P'替代上述步骤O)中确定的去除函数 P，并重复上述步骤(3) (9)对所述光学元件进行迭代加工，直到所述加工后的面形误差 分布数据E满足面形收敛精度要求，加工结束。上述本发明的用于非球面加工的离子束修形加工方法中，所述步骤(5)中的驻留 时间迭代算法为改进后的驻留时间迭代算法，具体的操作步骤为(a)输入求解条件向所述的计算模型r (x, y) = η (χ, y) · [ρ (χ, y) * τ (χ，y)]中 先输入求解条件，包括步骤(1)中检测获取的面形误差分布数据r(x，y)(即加工中期望的 材料去除量)、步骤O)中获取的去除函数ρ (x，y)以及材料去除率系数n(x，y)；(b)设置迭代法计算的初始条件τ0(χ, y) = (1/B) -r(x, y)/n (χ, y)，其中B为加工过程的体积去除效率(即去 除函数强度)，B = / / ρ (X，y) dxdy ；仿真残留面形误差初始值e0 (χ, y) = r (χ, y) - η (χ, y) · [ρ (χ, y) * τ 0 (χ，y)]，迭代次数k的初始值为0 ；(c)计算第k步的驻留时间密度校正量Δ丨(毛力厶丨(&3；) = (1/5)、(^,3；)/；7(^0，ek(x, y)为第k步后的仿真残留面形误差；(d)计算第 k+Ι 步的驻留时间密度 Tk+1(x，y) :τΜ{χ,γ) = τ,{χ,γ) + ξ·Α"τ{χ,γ), ξ 为迭代松弛因子；(e)驻留时间非负性检查检查驻留时间密度Tk+1(x，y)，如有小于零的部分，则
置零；(f)计算第 k+Ι 步的材料去除量mk+1 (χ, y) :mk+1 (χ, y) = n (χ, y) · [ρ (χ, y) * τ k+1 (χ, y)]；(g)计算第 k+1 步的残留面形误差 ek+1 (χ, y) :ek+1 (χ, y) = r(x, y)-mk+1(x, y)；(h)判断第k+1步的驻留时间密度Tk+1(x，y)和残留面形误差ek+1(x，y)是否满足 要求(面形收敛精度要求)，如满足要求，则输出计算结果，停止程序；如果不满足要求，则 置k = k+Ι，并跳到(c)步继续计算。上述本发明方法中提到的去除函数ρ (x, y)、面形误差分布数据r (x, y)、驻留时间 密度函数τ (χ, y)、入射角Φ (χ, y)和材料去除率系数η (x, y)等函数，既可以为连续函 数，也可为矩阵，如果是矩阵，则相应的函数计算公式则采用矩阵计算公式即可。本发明的上述技术方案是基于以下技术原理和思路离子束修形加工是利用离子 束轰击光学表面时发生的物理溅射现象去除光学表面的材料，由于溅射现象不仅在离子束 垂直入射时发生，在倾斜入射时也同样发生，而且发生程度更强烈，即倾斜入射同样能去除表面材料，而且去除速率更大；据此，离子束修形加工过程中不必使离子束垂直入射光学曲 面，即使倾斜入射也同样可以达到加工效果。因此，上述本发明的加工方法提出了一种仅使 用线性三轴联动系统即可对非球面等光学曲面进行修行加工的离子束修形加工方法，使用 本发明的方法进行加工时，离子束方向不必处处与光学曲面的法线方向重合，可以保持离 子束方向在空间上不变(即保持离子束平行于待加工光学元件的光轴即可，参见图1中的 B图)。由于保持离子束方向的空间不变，因此离子束入射到光学曲面上时在各加工点处的 入射角度是变化的，相应的，去除函数也是空间变化的，因此，本发明的加工工艺需要考虑 入射角变化引起的去除速率变化，即在驻留时间解算时需要对去除函数的变化进行相应的 计算和调整(参见上述本发明的技术方案)。与现有技术相比，本发明的优点在于1.本发明采用线性三轴联动系统即能加工以往需要五轴联动系统才能加工的非 球面等光学曲面，这便大大降低了非球面等光学曲面的离子束加工设备的成本；2.本发明仅采用三轴联动系统进行加工，相比五轴联动系统，具有较高的动态特 性和定位精度，可潜在地提高最终的加工精度；3.由于倾斜入射可提高材料去除速率，因此本发明的方法加工还可明显缩短加工 时间，提高加工效率；4.由于本发明不是直接对面形误差函数进行补偿，而是对驻留时间的解算方法 作了进一步的改进和优化，因此可以通过计算材料去除量来对去除函数进行修正，并用修 正后的去除函数进行迭代加工，这样能够进一步提高离子束修形加工的加工精度和加工效率。综上，本发明的加工方法具有广阔的应用前景。
图1为离子束修形加工方式的对比示意图；其中，A图为传统五轴联动加工方式的 加工示意图，B图为本发明的三轴联动加工方式的加工示意图；图中图例的含义为1、光学曲面；2、离子束；3、离子源。图2为本发明实施例中检测获取的待加工非球面镜的面形误差分布图。图3为本发明实施例中离子束修形工艺过程的去除函数分布图。图4为本发明实施例中计算所得的非球面镜上的入射角度分布图。图5为本发明实施例中计算所得的离子束修形工艺过程的相对溅射产额曲线图。图6为本发明实施例中计算所得的非球面镜上的材料去除率系数分布图。图7为本发明实施例中计算所得的驻留时间密度分布图。图8为本发明实施例中计算所得的材料去除量分布图。图9为本发明实施例中的非球面镜经过一次实际修形加工之后测得的面形误差 分布图。图10为本发明实施例中的非球面镜经过四次实际修形加工之后测得的面形误差 分布图。
具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。实施例本实施例的离子束抛光工艺过程是在一台普通的离子束抛光设备上进行，其工艺 参数为工作气体为氩气，工作真空0.8\10_牛￡1，离子能量800^，束电流25·。待加工光 学元件为一块尺寸为250mmX90mm的离轴非球面镜，材料为普通微晶玻璃；其镜面的离轴 量为16mm，顶点曲率半径为285mm，偏心率为0. 93。该镜面经过了传统的光学研抛，但是面 形误差仍然较大，不能满足要求。以下采用本发明的离子束修形加工方法对该非球面镜进 行离子束修形加工，具体的操作步骤如下1.检测面形误差利用激光干涉仪检测上述待加工光学元件镜面的面形误差，检 测获取的面形误差分布数据r (x, y)用矩阵R表示，其矩阵分布如图2所示，由图2可见，面 形误差的 PV 值是 3. 3 λ ( λ = 632. 8nm)，RMS 值是 0. 49 λ ；2.确定去除函数应用上述的离子束抛光设备及其修形工艺过程进行去除函数 试验，获取的去除函数P (x, y)用矩阵P表示，其矩阵分布如图3所示，由图3可见，该去除 函数的体积去除速效率B = 31 μ m · mm2 · mirT1 ；3.建立加工路径采用直线式光栅路径进行扫描加工，采用的路径行距和间隔均 为 Imm ；4.测算入射角在垂直于待加工光学元件光轴的平面内建立X-Y直角坐标系，根 据待加工光学元件镜面的曲面方程测算该镜面各点法线与垂直入射离子束的夹角，即入射 角Φ ；测算结果用与上述面形误差矩阵R相同大小的矩阵Φ表示，矩阵分布如图4所示；5.确定驻留时间密度函数利用计算模型r(x，y) = η (x,y) -[ρ(χ,γ)*τ (x,y)] 和驻留时间迭代算法，计算本次加工控制所用的驻留时间密度函数τ (χ, y)和材料去除量 M ；5. 1计算材料去除率系数η (x, y)，具体步骤为先根据上述获取的入射角Φ的 矩阵Φ计算相对溅射产额随入射角度变化的相对溅射产额函数Υ(φ)；根据Sigmimd理 论(Drueding T W, Fawcett S C, Wilson S R等· Ion beam figuring of small optical components. Optical Engineering, 34 (12) :p. 3565-3571. 1995)，相对溉射产额函数Y ( Φ) 的计算公式为_ 番 總、
Yoi0)
权利要求
1.一种用于非球面加工的离子束修形加工方法，包括以下步骤(1)检测面形误差利用面形检测装置对待加工光学元件的非球面光学曲面进行面形 误差检测，获取该光学曲面的面形误差分布数据R，记为r(x，y)；(2)确定去除函数应用离子束修形加工过程进行去除函数试验获取去除函数P，记为 ρ(χ，y)；(3)建立加工路径采用现有路径规划方法，根据待加工光学元件的形状和尺寸建立 离子束修形加工路径；(4)测算入射角在垂直于待加工光学元件光轴的平面内建立X-Y直角坐标系，根据其 光学曲面的曲面方程ζ = h(x，y)，测算该光学曲面各点法线与垂直入射离子束的夹角，即 入射角Φ ；(5)确定驻留时间密度函数利用计算模型r(x，y)= η (x,y) -[ρ(χ,γ)*τ (x,y)]和 驻留时间迭代算法，计算本次加工控制所用的驻留时间密度函数τ (x,y)和材料去除量Μ;在所述计算模型中，r(x，y)即为步骤(1)中检测获取的面形误差分布数据，ρ (x，y)即 为步骤O)中获取的去除函数，n(x，y)为材料去除率系数，il(X，y) =Υ(Φ)，Υ(Φ)= Υ。(Φ)/Υ。(0)，其中Υ(Φ)为相对溅射产额函数，Υ0(Φ)为入射角Φ处平均一个入射离子 溅射出的材料表面原子数，Ytl(O)为入射角0°处平均一个入射离子溅射出的材料表面原子 数；(6)确定加工路径上各加工点的驻留时间根据步骤(5)中获取的驻留时间密度函数 τ (χ, y)，利用现有方法计算加工路径上各加工点处离子束的驻留时间；(7)数控修形加工根据步骤(3)中已建立的加工路径和步骤(6)计算所得的驻留时 间，对待加工光学元件的光学表面进行数控修形加工；数控修形加工过程中，离子束沿平行 于待加工光学元件光轴方向入射光学曲面，通过离子束发生装置的线性三轴联动系统对所 述光学表面进行数控修形加工；(8)检测加工后面形误差利用面形检测装置对数控修形加工后的光学曲面进行面形 误差检测，获取加工后的面形误差分布数据E，记为r' (x,y)；(9)校正去除函数根据加工前、后的面形误差分布数据和材料去除量M对所述去除函 数P进行校正，校正公式为P' = yPY = min I I R-E- yM|其中，P'为校正后的去除函数，Y为校正系数；(10)迭代加工使用校正后的去除函数P'替代上述步骤O)中确定的去除函数P，并 重复上述步骤C3) (9)对所述光字元件进行迭代加工，直到所述加工后的面形误差分布 数据E满足面形收敛精度要求，加工结束。
2.根据权利要求1所述的用于非球面加工的离子束修形加工方法，其特征在于，所述 步骤(5)中的驻留时间迭代算法的具体操作步骤为(a)输入求解条件向所述的计算模型r(x，y)= η (χ, y) · [ρ (χ, y)* τ (χ, y)]中先 输入求解条件，求解条件包括所述步骤(1)中检测获取的面形误差分布数据r(x，y)、所述 步骤O)中获取的去除函数ρ (X，y)以及材料去除率系数n(X，y)；(b)设置迭代法计算的初始条件为τC1(Xd) = (1/Β) ·ΗΧ，Υ)/ι (Χ，Υ)，其中B为加工过程的体积去除效率，且B = / / p(x, y) dxdy ；仿真残留面形误差初始值％(x，y) =r(x, y)-n(x, y) · [ρ (x，y)* τ 0 (x，y)]，迭代次 数k的初始值为0 ；(c)计算第k步的驻留时间密度校正量Δ丨(毛力^{x,y)= {\lB)ek{X,y)ln{X,y), ek(x, y)为第k步后的仿真残留面形误差；(d)计算第k+Ι 步的驻留时间密度 Tk+1(x，y) :τ,+ι{χ,γ) = τ,{χ,γ) + ξ·Α"τ{χ,γ), ξ 为 迭代松弛因子；(e)驻留时间非负性检查检查驻留时间密度τk+1(x, y)，如有小于零的部分，则置零；(f)计算第k+Ι 步的材料去除量 mk+1(x，y) :mk+1 (χ, y) = η (χ, y) · [ρ (χ, y) * τ k+1 (χ,y)]；(g)计算第k+l 步的残留面形误差 ek+1 (χ, y) =ek+1 (χ, y) = r(x, y)-mk+1 (χ, y)；(h)判断第k+l步的驻留时间密度xk+1(χ, y)和残留面形误差^v1 (x，y)是否满足要 求，如满足要求，则输出计算结果，停止程序；如果不满足要求，则置k = k+Ι，并跳到所述 (c)步继续计算。
全文摘要
本发明公开了一种用于非球面加工的离子束修形加工方法，包括以下步骤先通过检测、实验获取面形误差分布数据R和去除函数P；然后建立离子束修形加工路径，并测算该光学曲面各点的入射角φ；利用计算模型和驻留时间迭代算法计算驻留时间密度函数和材料去除量M，再计算各加工点处离子束的驻留时间；再根据已建立的加工路径和驻留时间，对待加工光学元件的光学表面进行线性三轴联动的数控修形加工；再进行面形误差检测，根据加工前、后的面形误差分布数据和M对P进行校正，使用校正后的去除函数重复前述步骤进行迭代加工，直到满足面形收敛精度要求，加工结束。本发明的加工方法稳定性好，加工精度高，可控性强，对设备要求低。
文档编号C03B33/02GK102092929SQ20101057860
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者周林, 廖文林, 戴一帆, 沈永祥, 袁征, 解旭辉 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学