光顺加工的光顺区域的规划方法与流程

本发明属于光学加工技术领域，具体涉及一种光顺加工的规划光顺区域的方法。

背景技术：

光顺工艺是利用抛光过程中抛光盘的自然光顺效应来去除中高频面形误差的加工工艺。作为控制光学元件表面中频误差的有效手段之一，光顺加工技术具有成本低、工作效率高、工艺兼容性好等诸多优点，目前已成为中频误差控制方面的研究热点。

不同于传统的抛光方法，光顺加工主要是依靠光顺盘的刚度在光学镜面上产生压强差，从而使中频误差收敛。小磨头光顺工艺是最常见的光顺工艺。小磨头的尺寸一般为光学元件口径的1/4至1/6，基本结构为在刚性基底上粘接一层沥青或聚氨酯抛光垫。由于光顺盘具有特定的刚度，因此在对中高频误差进行去除的同时也会使低频面形发生一定程度的恶化，特别是在光顺工艺参数控制不当的情况下。

目前，光顺工艺中一般对整个光学元件表面的进行扫描光顺加工或根据经验进行分段扫描光顺加工。然而，实际加工过程中并不是所有区域都存在明显的中频误差，并且中频误差一般也是有方向或分布规律的，如果不能确定需要光顺的区域和中频误差的分布情况，那么光顺加工不仅会使低频面形发生恶化，也会增加光顺时间，降低光顺工作效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种光顺加工的光顺区域的规划方法，该方法既可提高光顺工作效率，又可防止规划区域外的低频面形发生恶化。

本发明的技术解决方案如下：

一种光顺加工的规划光顺区域的方法，其特征在于该方法包括如下四个步骤：

1)测量待加工表面：使用ZYGO干涉仪对光学元件进行全口径面形测量，得到已校正面形倾斜的原始面形图S(x,y)，其尺寸为M像素×N像素，像素间距为dx米；

2)对原始面形图S(x,y)进行功率谱密度分析：根据光栅扫描加工的特点，通常在X轴方向或Y轴方向出现明显中频误差，为了表述方便，不妨令有明显中频误差的方向为Y轴方向，而X轴与Y轴垂直；计算一维功率谱密度分布，得到沿Y轴方向的一维功率谱密度曲线，再寻找该功率谱密度曲线上最明显的尖峰，令此尖峰所对应的空间频率为f₁；

3)基于Fourier级数提取中频面形误差：

首先，将原始面形图S(x,y)进行Fourier级数展开：

其中，和分别表示非负整数和整数；C_m,n为Fourier系数，|C_m,n|表示取模或绝对值；ω₁＝2π/T₁和ω₂＝2π/T₂为角频率，T₁＝M×dx，T₂＝N×dx；P_m,n为正弦波面，其方向和周期分别为和

然后，计算空间频率f₁所对应的正弦波面P_m,n：

由于只提取Y轴方向的中频误差，故令m＝0，代入公式计算得n₁＝ROUND(N×dx×f₁)，其中，ROUND()表示四舍五入取整函数，即所对应的正弦波面为

最后，对与正弦波面的方向及周期相近的多个正弦波面进行求和，得到要提取的中频面形误差；

4)规划光顺区域：

分析中频面形误差沿Y轴方向的剖面轮廓曲线，计算该曲线上数值的平均值和标准差Δy，在该剖面轮廓曲线所在坐标系上添加与横轴平行且纵轴坐标分别为的三条直线，该剖面轮廓曲线中整体波动范围超过的部分标记为需要光顺的区间，最后参照标记的光顺区间在原始面形图S(x,y)上规划出光顺区域。

所述的多个正弦波面为求和得提取的中频面形误差为

本发明主要有益效果为：

本发明光顺加工的规划光顺区域的方法，划分出适合光顺的区域，光顺加工面积缩小，从而能提高光顺效率；排除不适合光顺的区域，防止局部区域低频面形迅速恶化。

附图说明

图1为光顺加工的规划光顺区域方法的流程图；

图2为原始面形及其功率谱密度曲线；

图3为5个正弦波面叠加成的去除深度分布曲线；

图4为理想光顺面形及其功率谱密度曲线；

图5为光顺区域规划示意图。

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，光顺加工的规划光顺区域的流程主要分为四步：测量待加工表面；功率谱密度(简称为PSD)分析；提取中频面形误差；规划光顺区域。

下面将结合一个优选的具体实施例对本发明予以说明。

需要说明的是，在使用干涉仪测量面形前，本实施例中所采用光学元件已经过多轮小磨头抛光。而小磨头抛光过程中，由于采用了光栅扫描方式进行表面加工，因此抛光后所得面形会残留中频误差，需要通过光顺工艺来去除或抑制中频误差。

本发明光顺加工的规划光顺区域的方法，包括四步：

第一步是测量待加工表面：使用ZYGO干涉仪对光学元件进行全口径面形测量。图2左半部分为测量的面形结果(已校正面形倾斜)，即原始面形图S(x,y)。该表面尺寸为525像素×594像素，像素间距为6.7302×10^-4米。根据光栅扫描加工的特点，通常在X轴方向或Y轴方向出现明显中频误差，为了表述方便，不妨令有明显中频误差的方向为Y轴方向，而X轴与Y轴垂直。从图2左半部分可以看出，沿图示Y轴方向有明显的周期波面起伏，而X轴方向却无明显痕迹。

第二步是对原始面形图S(x,y)进行功率谱密度分析：计算一维功率谱密度分布(参见文献Richard N.Youngworth；Benjamin B.Gallagher；Brian L.Stamper；An overview of power spectral density(PSD)calculations.Proc.SPIE 5869,Optical Manufacturing and Testing VI,58690U(August 18,2005)；doi:10.1117/12.618478.)，本实施例给出了沿X轴和Y轴两个方向的功率谱密度曲线，如图2右半部分所示，实线表示Y轴方向的功率谱密度分布；虚线则为X轴方向的功率谱密度曲线。在图2右半部分的PSD曲线中，实线所代表的Y方向的PSD曲线明显存在一个“尖峰”，这说明在此尖峰所对应的空间频率附近存在明显的面形误差。从图中可读取出，此尖峰在空间频率f₁＝20m^-1附近。

第三步是基于Fourier级数提取中频面形误差：

首先，使用Fourier级数将测量面形S(x,y)展开如下：

其中，表示m为非负整数，表示n为整数；C_m,n为Fourier系数，|C_m,n|表示取模或绝对值；ω₁＝2π/T₁和ω₂＝2π/T₂为角频率，T₁和T₂分别为X轴方向和Y轴方向的长度；P_m,n为正弦波面，其方向为其周期为

然后，计算空间频率f₁即20m^-1所对应的正弦波面P_m,n。已知，T₁＝525×6.7302×10^-4m，T₂＝594×6.7302×10^-4m，令m＝0(只提取Y轴方向的中频误差)，代入公式可计算得n＝8，即所对应的正弦波面为P_0,8。

最后，如图3所示，为了完全去除前文提及的尖峰，要提取与P_0,8方向及周期相近的一系列正弦波面，包括P_0,6、P_0,7、P_0,8、P_0,9、P_0,10等。这5个正弦波面都是沿Y轴方向传播的，叠加后可得到如图3右侧所示的中频面形误差图。从图2左半部分所示原始面形图S(x,y)减去该去除该中频面形误差图可得到理想情况下的光顺面形图(见图4)。实际上，通过光顺工艺并不能完全达到如图4所示的理想光顺面形，因此该面形可作为参考目标。当实际光顺面形与理想光顺面形越接近，那么说明光顺效果比较好。

第四步是规划光顺区域：光顺效果主要取决于工件表面局部范围内高峰与低谷之间存在的压强差。常用的光顺盘底部粘接一层沥青，由于沥青材料比较软，在光顺过程中不会使低频面形发生明显恶化，而同时也意味着要取得比较好的光顺效果，高峰与低谷之间的高度差(即峰谷值或PV)不能太小。基于这一基本认识，本发明提供了基于平均值和标准差的光顺区域规划方法。

如图4所示，先对上述中频面形误差沿Y轴方向的剖面轮廓曲线进行分析，计算该曲线上数值的平均值和标准差Δy，在该剖面轮廓曲线所在坐标系上添加与横轴平行且纵轴坐标分别为的三条直线。纵轴坐标为的直线为平均值线(图4中用点划线表示)；位于平均值线上下两端的虚线(见图4)是两条标准差线，其纵轴坐标分别为和该剖面轮廓曲线中整体波动范围超过的部分标记为需要光顺的区间，如图4所示，A点左端区间和B点右端区间为需要光顺的区间。参照标记的光顺区间在原始面形图S(x,y)上规划出光顺区域，在本实施例中，如图4所示，存在两个光顺区域，即图中标记的光顺区域1和光顺区域2。另外，图4中还示意了光顺路径，此路径是指光顺盘的中心点轨迹，也就是说，所规划的光顺区域只限制光顺盘的中心点的轨迹，光顺盘边缘可以超出光顺区域。另外注意，工件表面边缘留有一定的余量，因为光顺过程中抛光盘中心点不能超出工件表面边缘，通常光顺过程中，光顺盘边缘离开工件表面边缘的距离最大不能超过光顺盘直径的三分之一。

至此，已经结合附图对本发明进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明所述规划光顺区域的方法有了清楚的认识。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。