高陡度镜面的离子束抛光方法技术

本发明专利技术公开了一种高陡度镜面的离子束抛光方法，包括以下步骤：（１）测算镜面各点的入射角θ；（２）根据模型确定各点的补偿系数Ｋ；（３）利用干涉法测定工件的初始面形误差Ｅ；（４）根据Ｋ对Ｅ进行补偿得到补偿面形误差Ｅ′；（５）通过去除函数实验获得离子束垂直入射镜面时的去除函数Ｒ；（６）根据Ｅ′和Ｒ确定出驻留时间分布Ｔ并生成数控代码；（７）利用去除函数的发生装置和生成的数控代码进行加工，加工时离子束沿平行于工件光轴方向入射镜面，通过三轴联动系统对镜面进行修形；（８）重复前述步骤直至修形结果满足面形收敛精度的要求。本发明专利技术方法在加工高陡度镜面时具有操作简单、稳定性好、加工精度高、可控性强、对设备要求低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学元件加工
，尤其涉及一种高陡度镜面的离子束抛光方法。
技术介绍
随着现代科技的不断发展，特别是航空航天和武器系统性能的迅速提升，应用于各种领域的光学系统对关键零部件的精度和外形结构的要求越来越高。此类关键光学零部件通常具有高陡度的特性，能够减小系统的重量和体积，简化系统的结构，同时提升和优化系统的综合性能。例如半球谐振陀螺仪中的半球谐振子、静电悬浮陀螺仪中的球体转子和球碗、以及光刻机的光刻物镜等，众多精密仪器及装备的光学系统的核心部件都是采用高精度、高陡度的光学零件。当今国际微光刻技术的发展趋势表明，物镜的数值孔径大于0.60，大多为高陡度离轴镜，其特征尺寸要求为0.07μm～0.25μm；而新一代静电悬浮陀螺转子和球碗、以及半球谐振子的加工精度要求提升到0.1μm～0.01μm量级，它们都为高陡度的球面或半球面零件。传统工艺的加工精度、效率和加工的可重复性已经难以满足尖端装备和技术的批量需求，成为制约其性能和发展的关键因素。离子束抛光是利用离子源发射的离子束轰击光学镜面时发生的物理溅射效应去除光学元件表面的材料，是通过具有一定能量的粒子碰撞光学镜面传递动能来实现的，拥有纳米量级的加工精度，是一种高确定性、高稳定性和非接触的加工技术。离子束抛光方法克服了传统抛光加工过程中的边缘效应、刀具磨损和压力负载等缺点，具有较高的加工收敛率，通常都作为高精度光学零件加工的最后一道工序。由于离子束抛光技术相对复杂，并且成本相对较高，目前开展研究的单位和公司相对较少。CN101261511A号中国专利文献公开了一种离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法，其具体介绍了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。在《基于Bayesian原理的低陡度光学镜面面形误差离子束修正驻留时间算法》(机械工程学报，2009，11(45))一文中又提出了一种快速高效的面形控制技术，其可实现低陡度镜面确定性精确修形。然而，由于上述所采用的加工方式的局限或者固有存在的一些技术难题使其难以适用于高陡度光学零件的抛光加工。这主要是因为一股加工过程的材料去除量E(x，y)等于去除函数R(x，y)与驻留时间Ｔ(x，y)的卷积，其离散方程可以表示成为：E(x,y)=Σi=0Σj=0R(x-xi,y-yj)T(xi,yj)ΔxΔy---(1)]]>要根据上式(1)的矩阵方程精确求解驻留时间，需要首先确保测量得到的以二维坐标表示的面形误差E0(x，y)能够真实反应镜面各点的位置信息和期望的材料去除量，测量过程不能产生投影变形，并且加工过程中的去除函数需要保持一致性和稳定性；但对于高陡度的光学镜面而言，误差值E0(x，y)所对应的坐标点是三维坐标(x，y，z)在x-y坐标-->平面内的投影，其丢失了位置信息，产生了投影变形的问题，直接利用式(1)已经不能满足高精度高陡度光学零件高效抛光加工的要求。目前，尚未有能有效解决高陡度镜面加工中所存在的上述技术问题的加工工艺。为了提高对高陡度光学零件的加工精度，往往需要根据镜面曲面轮廓调节离子源的姿态，驻留时间的控制和精确计算也较为困难，而且，通常需采用四轴以上的抛光系统对高陡度光学零件进行加工，其加工难度大，加工成本高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种驻留时间计算简单、稳定性好、加工精度高、可控性强、对设备要求低的高陡度镜面的离子束抛光方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种高陡度镜面的离子束抛光方法，包括以下步骤：(1)测算入射角：取一具有高陡度镜面的待抛光工件，在垂直于工件光轴的平面内建立X-Y直角坐标系，根据高陡度镜面的曲面方程z＝h(x，y)，测算镜面各点法线与垂直入射离子束的夹角，即入射角θ；(2)确定补偿系数分布：根据模型P(x，y)＝(1/n)Y0(θ)cosθf(xcosθ，y)(在尚未建立模型的情况下也可以直接根据相对材料去除速率的实验结果)，确定待抛光工件各加工点相对应的补偿系数K，记为K(θ)；(3)测定初始面形误差：利用干涉法测定所述待抛光工件的初始面形误差E，记为E(x，y)；(4)补偿初始面形误差：根据步骤(2)中确定的补偿系数分布对所述初始面形误差E进行补偿，得到补偿面形误差E′，E′＝E(x，y)/Kij(θ)；(5)获得去除函数：通过去除函数实验获得离子束垂直入射相同材料镜面时的去除函数R(x，y)；(6)确定驻留时间分布T：根据步骤(4)中确定的补偿面形误差E′和步骤(5)中获得的去除函数R(x，y)，利用现有加工平面镜时的驻留时间算法确定出驻留时间分布T并生成数控代码；(7)离子束抛光加工：利用所述去除函数的发生装置和生成的驻留时间数控代码对所述待抛光工件进行离子束抛光加工，加工过程中离子束沿平行于工件光轴方向垂直入射镜面，通过所述去除函数发生装置的三轴联动系统(无需使用四轴以上的联动系统)对镜面进行修形；(8)迭代抛光加工：重复上述步骤(1)～步骤(7)的工艺过程，直至步骤(7)的修形结果满足面形收敛精度的要求，加工结束。本专利技术提出的上述技术方案的基本原理是：利用离子束抛光的材料去除特性首先对高陡度镜面的面形误差进行补偿，依此改进计算机控制表面成形原理(CCOS)中驻留时间的解算方法，使得离子束在不垂直入射光学镜面的条件下，使用线性三轴联动系统即可实现对高陡度光学镜面的高精度确定性加工；而且，由于驻留时间的解算步骤与加工平面镜时的求解方法基本相同，这使得本专利技术的加工方法及加工设备与现有技术具有很强的通用性，大大减小了设备、软件等物质条件的改造成本和新增投入。-->更具体地说，本专利技术技术方案利用的离子束抛光的材料去除特性是指以物理溅射理论为基础，建立去除函数的理论模型，分析去除函数形状和去除速率随入射角θ的变化规律，再利用实验手段对理论模型及变化规律的准确性和可靠性进行验证；然后根据验证后的成果，把动态去除函数对驻留时间求解的影响因素引进现有的卷积公式中，依此改进计算机控制表面成形原理中驻留时间的求解模型；由于驻留时间的求解模型得以改进和优化，因此在离子束不垂直入射光学镜面的情况下，即加工过程中离子束始终沿平行于光轴方向加工镜面的情况下，均可实现对高陡度镜面的抛光加工，而不需要在每个驻留加工点都使离子束垂直入射光学镜面，这样就大大减了对数控抛光机床联动轴的要求，仅需线性三轴联动系统(X-Y-Z三个联动轴)即可，加工设备亦不需要使用旋转轴，进而降低了数控抛光机床的成本，降低了对数控抛光机床的控制要求，与四轴以上的联动系统相比，其可靠性也更高。由上述的基本原理可见，上述技术方案中对初始面形误差E进行补偿是指：根据材料去除特性随入射角θ的变化规律，利用该变化规律对干涉测量得到的初始面形误差E进行补偿，以消除加工过程中离子束不垂直入射镜面和测量中的投影变形对确定驻留时间分布所造成的不利影响，而该补偿过程实质上是对现有材料去除量离散的卷积公式进行改进，对该卷积公式进行改进的理论基础如下：1、如图1所示，先建立X-Y-Z坐标系，并使X-Y确立的直角坐标平面垂直于工件光轴，这样待抛光工件的镜面方程可表示为z＝h(x，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高陡度镜面的离子束抛光方法，包括以下步骤：（１）测算入射角：取一具有高陡度镜面的待抛光工件，在垂直于工件光轴的平面内建立Ｘ－Ｙ直角坐标系，根据高陡度镜面的曲面方程ｚ＝ｈ（ｘ，ｙ），测算镜面各点法线与垂直入射离子束的夹角，即入射角θ；（２）确定补偿系数分布：根据模型Ｐ（ｘ，ｙ）＝（１／ｎ）Ｙ↓［０］（θ）ｃｏｓθｆ（ｘｃｏｓθ，ｙ），确定待抛光工件各加工点相对应的补偿系数Ｋ，记为Ｋ（θ）；（３）测定初始面形误差：利用干涉法测定所述待抛光工件的初始面形误差Ｅ，记为Ｅ（ｘ，ｙ）；（４）补偿初始面形误差：根据步骤（２）中确定的补偿系数分布对所述初始面形误差Ｅ进行补偿，得到补偿面形误差Ｅ′，Ｅ′＝Ｅ（ｘ，ｙ）／Ｋ↓［ｉｊ］（θ）；（５）获得去除函数：通过去除函数实验获得离子束垂直入射相同材料镜面时的去除函数Ｒ（ｘ，ｙ）；（６）确定驻留时间分布Ｔ：根据步骤（４）中确定的补偿面形误差Ｅ′和步骤（５）中获得的去除函数Ｒ（ｘ，ｙ），利用现有加工平面镜时的驻留时间算法确定出驻留时间分布Ｔ并生成数控代码；（７）离子束抛光加工：利用所述去除函数的发生装置和生成的驻留时间数控代码对所述待抛光工件进行离子束抛光加工，加工过程中离子束沿平行于工件光轴方向垂直入射镜面，通过所述去除函数发生装置的三轴联动系统对镜面进行修形；（８）迭代抛光加工：重复上述步骤（１）～步骤（７）的工艺过程，直至步骤（７）的修形结果满足面形收敛精度的要求，加工结束。...

【技术特征摘要】
1.一种高陡度镜面的离子束抛光方法，包括以下步骤：(1)测算入射角：取一具有高陡度镜面的待抛光工件，在垂直于工件光轴的平面内建立X-Y直角坐标系，根据高陡度镜面的曲面方程z＝h(x，y)，测算镜面各点法线与垂直入射离子束的夹角，即入射角θ；(2)确定补偿系数分布：根据模型P(x，y)＝(1/n)Y0(θ)cosθf(xcosθ，y)，确定待抛光工件各加工点相对应的补偿系数K，记为K(θ)；(3)测定初始面形误差：利用干涉法测定所述待抛光工件的初始面形误差E，记为E(x，y)；(4)补偿初始面形误差：根据步骤(2)中确定的补偿系数分布对所述初始面形误差E进行补偿，得到补偿面形误差E′，E′＝E(x，y)/...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖文林，戴一帆，周林，陈善勇，解旭辉，郑子文，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43