专利名称：确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的方法
技术领域：
本发明涉及一种确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的方法，属于光学加工与测试领域。
背景技术：
在精密光学系统中光学元件的中高频误差对元件的质量影响越来越受到关注，需要对元件表面的频率进行评价和限制。不同的工艺参数设定对镜面频谱分布的影响差别很大。研究加工中各种工艺参数对镜面表面的误差频率的影响可以为进一步完善大口径非球面镜面加工工艺提供理论基础。
目前国内外研究光学元件的加工技术主要集中在以峰谷值和均方根值两项指标为导向提高相应加工技术的误差收敛能力上，从元件制造误差的垂直量角度来考虑如何提高光学元件的加工质量，对于如何控制水平方向加工误差，即如何确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的关系尚属空白。
美国劳伦斯·利夫摩尔国家实验室在“国家点火装置(National lgnitionFacility-NIF)”的研制过程中，根据光学元件的口径、自适应光学校正技术和空间滤波器的设计原则，按照空间频率的不同将光学元件的制造误差具体分为高、中、低三段。他们提出了评价光学元件表面质量和制造误差的新方法，即用波前功率谱密度来确定不同频段误差的含量，但未提出如何确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的关系。
波前功率谱密度是一种描述波前信息的新方法，它与以往各种表面评价参数相比最大的优点在于功率谱密度可以综合评价表面起伏的垂直量和水平量，并体现两者间的关系，因此采用波前功率谱密度作为指标来评价加工后的光学元件的表面频率分布，进而分析加工工具性能、形状及其运动方式对元件表面的频率分布的影响是可行的。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种确定工艺参数与工件表面频谱分布特性关系的方法，该方法通过一维功率谱密度比值及功率谱密度累计增幅作为评价指标，确定工艺参数同频谱分布特性的关系，为从频域角度考虑光学元件的加工提供工艺参数设计的依据。
本发明的技术解决方案确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的方法，其特征在于通过以下步骤完成(1)记录光学元件加工的工艺参数，包含加工工具的性能、形状及运动方式，并对元件进行加工；(2)通过光学元件制造误差检测装置(如三坐标仪、干涉仪、哈特曼等)采用通用检测方式获得被检光学元件的制造误差数据；(3)利用最小二乘法对元件制造误差数据消除趋势项，根据滤波器设计原则设计滤波器对前述数据做剔除噪声、滤波等数据预处理工作；(4)确定所测数据的最大空间频谱范围与有效空间频谱范围，最大空间频谱范围1/L＜f＜N/(2L)有效空间频率宽度2/L＜f＜N/(4L)式中L为采样长度，N为有效采样点数；由加工的工艺参数及所测数据的频谱范围确定各参数可能导致的频谱变化区间及主要影响区间，并考虑该频谱信息是否包含在所测数据中；(5)对预处理后的数据作波前功率谱密度计算，获取被检元件的一维功率谱密度函数PSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N为采样间隔，L为采样长度，N为有效采样点数；z(n)为光学元件的制造误差数据；fm＝m/(N·Δx)为空间频率，-N/2≤m≤N/2；
(6)计算功率谱密度比值；将第一次测得的光学元件制造误差数据的功率谱密度记为PSD1，第二次的记为PSD2，依此类推，将第N次的记为PSDN，n＝2，3，...，N。记Rn=PSDnPSDl]]>Rn为功率谱密度比值；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn为功率谱密度累计增幅；(7)将步骤(6)所得功率谱密度比值及累计增幅初步确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的关系；(8)改变相应工艺参数，重复上述步骤，直到确定相应工艺参数与元件频谱分布特性的关系。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明提供了从频谱角度来考虑光学加工中工艺参数设定与工件表面频谱分布特性的解决方法，适用于解决数控高精度光学元件制造误差的频谱误差加工的问题。
图1为本发明实施例1针对检测口径＝670mm非球面镜检测所得样品制造误差分布图，数据为利用三坐标仪测得的光学元件在细磨阶段第一次测量的面形误差数据；图2为本发明实施例1中第一次测量的数据的功率谱密度图；图3为本发明实施例1的六次测量数据的功率谱密度比值图；图4为本发明实施例1的六次测量数据的功率谱密度累计增幅图。
具体实施例方式
实施例1，通过本发明的方法加工口径＝670mm非球面镜时确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的分析过程①对口径为＝670mm，材料为微晶光学玻璃的一块圆形光学元件进行加工，此时元件处于细磨阶段。对该光学元件采取的加工方式为小磨具口径为＝50mm，材料为H62，运动步进为7mm，偏摆为6mm，磨具从工件中心向工件外缘匀速运动，做全口径平滑加工；②利用三坐标仪检测该元件，利用三坐标仪检测时，沿径向的采样长度为L＝250mm，采样点数为N＝51点，沿径向等间隔测m(m≥20)条数据。检测前在光学元件上做好标记，以保证每次检测时测量的是光学元件的同一位置。该元件的面形误差数据如图1所示；③利用最小二乘法对元件制造误差数据消除趋势项，根据滤波器设计原则设计滤波器对前述数据做剔除噪声、滤波等数据预处理工作；④确定所测数据的最大空间频谱范围与有效空间频谱范围；最大空间频谱范围1/L＜f＜N/(2L) 0.004mm-1＜f＜0.102mm-1有效空间频率宽度2/L＜f＜N/(4L) 0.008mm-1＜f＜0.051mm-1式中L为采样长度，N为有效采样点数；磨具口径为＝50mm，可能影响的频率范围f≥1/50mm-1，磨盘沿径向从工件中心向工件外缘匀速运动，做全口径平滑加工，行程200mm，可能影响的空间频率f≥1/200mm-1；磨盘运动步进为7mm，偏摆为6mm，可能影响的频率范围超出测量数据所能提供的信息，排除其对此次数据的影响；⑤对预处理后的数据作波前功率谱密度计算，获取被检元件的一维功率谱密度函数；PSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N为采样间隔，L为采样长度，N为有效采样点数；z(n)为光学元件的制造误差数据；fm＝m/(N·Δx)为空间频率，-N/2≤m≤N/2；计算m条数据线的功率谱密度值并平均处理，获得被检光学元件的径向一维平均功率谱密度，代表整个元件表面的质量，结果如图2所示；
⑥计算功率谱密度比值将第一次测得的光学元件制造误差数据的功率谱密度记为PSD1，第二次的记为PSD2，依此类推，将第N次的记为PSDN，n＝2，3，...，N。记Rn=PSDnPSD1]]>Rn为功率谱密度比值，计算结果如图3所示；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn为功率谱密度累计增幅，计算结果如图4所示；⑦由上一步所得功率谱密度比值初步确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的关系，如图3，图4中第2、3、4、5四条曲线所示，对应各频率的成分均呈增长趋势，有效频率范围内，f＝1/100mm-1附近谱线表现最强，由步骤4中的分析可知，导致这种情况的最大原因应为磨盘沿径向从工件中心向工件外缘匀速运动，做全口径平滑加工这种运动方式；⑧由加工的工艺参数(包含加工工具的性能、形状及运动方式，被加工件的运动方式)确定各参数可能导致的频谱变化区间及主要影响区间，确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的关系。
改变磨盘运动方式，增加了磨具沿工件径向的短周期运动，重复以上步骤，在图3中第6条曲线可见，f＝1/100mm-1附近的谱线受到了明显的抑制作用。
权利要求
1.确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的方法，其特征在于通过以下步骤完成(1)记录光学元件加工的工艺参数，包含加工工具的性能、形状及运动方式，并对元件进行加工；(2)通过光学元件制造误差检测装置采用通用检测方式获得被检光学元件的制造误差数据；(3)利用最小二乘法对元件制造误差数据消除趋势项，根据滤波器设计原则设计滤波器，并对前述数据做剔除噪声、滤波等数据预处理工作；(4)确定所测数据的最大空间频谱范围与有效空间频谱范围，最大空间频谱范围1/L＜f＜N/(2L)，有效空间频率宽度2/L＜f＜N/(4L)；式中L为采样长度，N为有效采样点数；由加工的工艺参数及所测数据的频谱范围确定各参数可能导致的频谱变化区间及主要影响区间，并考虑该频谱信息是否包含在所测数据中；(5)对预处理后的数据作波前功率谱密度计算，获取被检元件的一维功率谱密度函数PSDPSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N为采样间隔，L为采样长度，N为有效采样点数；z(n)为光学元件的制造误差数据；fm＝m/(N·Δx)为空间频率，-N/2≤m≤N/2；(6)计算功率谱密度比值；将第一次测得的光学元件制造误差数据的功率谱密度记为PSD1，第二次的记为PSD2，依此类推，将第N次的记为PSDN，n＝2，3，...，N，记Rn=PSDnPSD1]]>Rn为功率谱密度比值；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn为功率谱密度累计增幅；(7)将步骤(6)所得功率谱密度比值及累计增幅初步确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的关系；(8)改变相应工艺参数，重复上述步骤，直到确定相应工艺参数与元件频谱分布特性的关系。
全文摘要
确定工艺参数与工件表面频谱分布特性的方法，涉及一种从空间频谱角度分析光学元件制造误差，尤其是表面面形中高频误差与工艺参数的定性定量关系，利用信息处理技术对测试仪器所获取的光学元件的制造误差数据进行处理，采取一维功率谱密度比值作为评价指标确定工艺参数同频谱分布特性的关系。本发明通过对工艺参数与工件表面频谱分布特性的定性定量研究，提供了一条光学元件面形加工中工艺参数确定的新方法，对高质量光学元件的加工具有重要的应用价值。
文档编号G02B27/00GK1936646SQ20061011371
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月13日 优先权日2006年10月13日
发明者陈伟, 姚汉民, 伍凡, 万勇建, 范斌, 朋汉林 申请人:中国科学院光电技术研究所