离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法

摘要

本发明公开了一种离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法，该方法是通过首先获取抛光工艺的去除函数b(x，y)，然后检测待加工光学镜面的面形误差分布z(x，y)，再根据b(x，y)和z(x，y)建立确定性抛光过程的线性模型，根据建立的线性模型和加工精度求解驻留时间向量，再对计算所得的驻留时间进行必要的修正后，以该加工驻留时间进行抛光加工。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，使得在加工精度要求较低时，能以较高的效率完成加工，节省加工时间，而在加工精度要求较高时，又能满足精度要求，提高工艺的精准性。

说明书

技术领域

本发明属于光学加工领域，尤其涉及一种离子束抛光工艺过程中进行精度控制的工艺方法。

背景技术

现有的离子束抛光控制工艺，对于面形收敛精度的控制是基于经验进行的，对面形收敛精度缺乏预测和控制的能力。例如，根据已知的误差面形和去除函数，现有技术只能求解出一组驻留时间，这样，在精度要求高的情况下，求解出的驻留时间往往无法满足要求，而精度要求低的情况下，求解出的驻留时间又常常偏大，加工时间偏长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、可控性强、效率较高的离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法。

为解决上述技术问题，我们提供的技术方案为一种离子束抛光工艺中面形收敛精度的控制方法，该方法首先建立确定性抛光过程的线性模型，再根据求解驻留时间的截断奇异值方法中截断参数与残差的关系，计算出满足加工精度要求的驻留时间，再以该加工驻留时间进行加工，从而实现对加工精度的控制，具体包括以下步骤：

(1)获取抛光工艺的去除函数：用确定性抛光工艺过程进行去除函数试验获取去除函数或者直接选用已经获取并保留下来的去除函数，经试验获取的或直接选用的去除函数记为b(x，y)；

(2)检测面形误差分布：采用面形检测装置检测待加工光学镜面的面形误差分布，将检测得到的面形误差分布记为z(x，y)；

(3)建立抛光工艺的加工过程模型：在所述光学镜面上适当选取m个加工量分布点，第i点(1≤i≤m)的坐标记为(x_i，y_i)，则该第i点处的期望加工量为z_i＝z(x_i，y_i)，所有z_i按顺序组成一个期望加工量向量z_e；同时，在所述光学镜面上及镜面边缘外适当选取n个加工驻留分布点，第j点(1≤j≤n)的坐标记为(u_j，v_j)，设第j点处的原始加工驻留时间为t_j，所有的t_j按顺序组成一个原始驻留时间向量t；当离子束在驻留加工分布点j点(u_j，v_j)停留时间t_j时，对加工量分布点i点(x_i，y_i)的材料去除量为r_ij＝a_ijt_j，则所有的驻留加工点对某一加工量分布点i点(x_i，y_i)的材料去除量总和为$r_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{t}_j,$把所有加工量分布点的材料去除量ri按顺序组成一个材料去除量向量r，则加工过程模型可表示为r＝At，其中A为m行n列的加工矩阵，第i行第j列的元素为a_ij，a_ij＝b(x_i-u_j，y_i-v_j)；

(4)根据加工精度求解原始驻留时间向量：加工的目的是使实际的材料去除量向量r等于期望加工量向量z_e，所以加工过程中要确定线性方程组z_e＝At的解，但一般不存在正好相容的解t^*，使得At^*＝z_e，这使问题的求解变得复杂，但是我们可以根据加工要求的精度(即残差的rms值)求解出原始驻留时间向量t，求解公式为$t=\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}\frac{{\mu }_i^T{z}_e}{{\sigma }_i}{\tau }_i,$其中σ_i为加工矩阵A的第i个奇异值，奇异值的顺序满足σ₁≥σ₂≥σ₃≥…≥σ_m×n≥0，μ_i和τ_i分别是奇异值σ_i对应的左奇异向量和右奇异向量，截断参数k为满足不等式$\underset{i=k+1}{\overset{m\times n}{\Sigma }}{\left({\mu }_i^T{z}_e\right)}^2\le {\mathrm{rms}}^2$的最小值，其中rms为加工要求达到的精度；

(5)数控加工中对面形收敛精度的控制：当计算所得的各驻留加工分布点的原始加工驻留时间t_j中未出现负值时，根据上述求解得到的原始驻留时间向量t中的各元素t_j和其坐标(u_j，v_j)生成数控加工代码，通过数控加工实现离子束抛光工艺中对面形收敛精度的控制；

当计算所得的各驻留加工分布点的原始加工驻留时间t_j中出现负值时，由于加工中的驻留时间不能为负值，所以一般需要对求解得到的原始驻留时间向量t进行修正，各点驻留时间的修正公式为t_a＝t_j-min(t_j)，其中t_a为各驻留加工分布点的修正加工驻留时间(1≤a≤n)，修正的目的是使各驻留加工分布点的原始加工驻留时间中的最小值min(t_j)＝0，所有的t_a组成修正驻留时间向量t′，再根据t′的元素t_a和其坐标(u_j，v_j)生成数控加工代码，再通过数控加工实现对面形收敛精度的控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的方法可以根据不同的加工精度的要求计算出不同的加工驻留时间，一般地，当加工精度要求低时，加工时间少，反之，加工精度要求高时，加工时间长。因此，通过计算上述驻留时间，并根据计算结果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，使得在加工精度要求较低时，能以较高的效率完成加工，节省加工时间，而在加工精度要求较高时，又能满足精度要求，提高工艺的精准性。

附图说明

图1为实施例1中试验获得的去除函数分布图；

图2为实施例1中测得的待抛光光学镜面的面形误差分布图；

图3为实施例1中计算所得的原始驻留时间分布图；

图4为实施例1中修正后的加工驻留时间分布图；

图5为实施例1中光学镜面真实加工后的面形残差图；

图6为实施例2中测得的待抛光光学镜面的面形误差分布图；

图7为实施例2中计算所得的原始驻留时间分布图；

图8为实施例2中修正后的加工驻留时间分布图；

图9为实施例2中光学镜面真实加工后的面形残差图；

在图2、图5、图6和图9中，PV值为表面形貌误差的最大峰谷值，RMS值为表面形貌误差的均方根值。

具体实施方式

实施例1：

rms＝0.01λ的离子束抛光工艺

离子束抛光工艺机床为一台普通的离子束抛光设备，基本的工艺参数为：工作气体为氩气、工作真空1.6×10^-2Pa、离子能量1000eV、束电流30mA，试验工件为直径100mm的普通微晶玻璃。

通过下述方法步骤对所述的普通微晶玻璃进行离子束抛光工艺：

1、获取抛光工艺的去除函数：应用上述确定性抛光工艺进行去除函数试验，将获取的去除函数记为b(x，y)，结果如图1所示；

2、检测面形误差分布：采用激光干涉仪检测待加工光学镜面的面形误差分布，将检测得到的面形误差分布记为z(x，y)，结果如图2所示；

3、建立抛光工艺的加工过程模型：按照2mm的间距在整个光学镜面上选取加工量分布点，总共取1869个点，第i点(1≤i≤1869)的坐标记为(x_i，y_i)，并将在这些点处的期望加工量z_i(z_i＝z(x_i，y_i))按顺序组成一个期望加工量向量z_e；同时，在光学镜面平面内半径为65mm的圆内也按2mm的间距选取驻留加工分布点，总共取3281个驻留加工分布点，第j点(1≤j≤3281)的坐标记为(u_j，v_j)，设第j点处的原始加工驻留时间为t_j，所有的t_j按顺序组成一个原始驻留时间向量t；设加工时离子束在驻留加工分布点(u_j，v_j)停留时间t_j，则所有的驻留加工分布点对某一加工量分布点i点(x_i，y_i)的材料去除量总和为$r_i=\underset{j=1}{\overset{3281}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{t}_j,$把所有加工量分布点的材料去除量r_i按顺序组成一个材料去除量向量r，则加工过程模型可以表示为r＝At，其中A为1869行3281列的加工矩阵，第i行第j列的元素为a_ij，a_ij＝b(x_i-u_j，y_i-v_j)；

4、根据加工精度求解原始驻留时间向量：加工的目的是使实际的材料去除量向量r等于期望加工量向量z_e，所以加工过程中要确定线性方程组z_e＝At的解，我们可以根据加工要求的精度(即残差的rms值)求解出原始驻留时间向量t，求解公式为$t=\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}\frac{{\mu }_i^T{z}_e}{{\sigma }_i}{\tau }_i,$其中σ_i为加工矩阵A的第i个奇异值，奇异值的顺序满足σ₁≥σ₂≥σ₃≥…≥σ_1869×3281≥0，μ_i和τ_i分别是奇异值σ_i对应的左奇异向量和右奇异向量，其中的截断参数k为满足不等式$\underset{i=k+1}{\overset{1869\times 3281}{\Sigma }}{\left({\mu }_i^T{z}_e\right)}^2\le {\mathrm{rms}}^2$的最小值，在本实施例中要求的rms＝0.01λ，其中λ为激光干涉仪的激光波长，λ＝0.6328μm，计算出截断参数k＝138，而得到的原始驻留时间向量t在二维平面上的分布如图3所示；

5、修正驻留时间：由于本实施例中计算所得的各点原始加工驻留时间t_j中出现负值，因此需要对原始驻留时间向量t进行修正，各点原始加工驻留时间的修正公式为t_a＝t_j-min(t_j)(1≤a≤3281)，上述步骤4计算得到的原始驻留时间向量t经修正之后，得到的修正驻留时间向量t′如图4所示，总驻留时间(加工时间)为34.14min；

6、根据修正驻留时间向量生成数控加工代码进行加工：本实施例的加工精度要求是0.01λ，总加工时间为34.14min，根据最后的修正驻留时间向量t′的元素t_a和其坐标(u_j，v_j)，采用现有技术生成数控加工代码，再通过数控加工实现对面形收敛精度的控制。

离子束加工完成后，采用激光干涉仪检测了加工后的光学镜面的面形误差分布，检测结果如图5所示，实际加工的精度是0.012λ，与计算精度0.01λ基本吻合。

实施例2：

rms＝0.03λ的离子束抛光工艺

离子束抛光工艺机床为一台离子束抛光设备，基本的工艺参数为：工作气体为氩气、工作真空1.6×10^-2Pa、离子能量1000eV、束电流30mA，试验工件为直径100mm的普通微晶玻璃。

通过下述方法步骤对所述的普通微晶玻璃进行离子束抛光工艺：

1、获取抛光工艺的去除函数：由于抛光工艺条件与实施例1完全相同，所以无需重新做去除函数试验，直接采用实施例1获得的去除函数，如图1所示；

2、检测面形误差分布：采用激光干涉仪检测待加工光学镜面的面形误差分布，将检测得到的面形误差分布记为z(x，y)，结果如图6所示；

3、建立抛光工艺的加工过程模型：按照2mm的间距在整个光学镜面上选取加工量分布点，总共取1829个点，第i点(1≤i≤1829)的坐标记为(x_i，y_i)，并将在这些点处的期望加工量z_i(z_i＝z(x_i，y_i))按顺序组成一个期望加工量向量z_e；同时，在光学镜面平面内半径为65mm的圆内也按2mm的间距选取驻留加工分布点，总共取3281个驻留加工分布点，第j点(1≤j≤3281)的坐标记为(u_j，v_j)，设第j点处的原始加工驻留时间为t_j，所有的t_j按顺序组成一个原始驻留时间向量t；设加工时离子束在驻留加工分布点(u_j，v_j)停留时间t_j，则所有的驻留加工分布点对某一加工量分布点i点(x_i，y_i)的材料去除量总和为$r_i=\underset{j=1}{\overset{3281}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{t}_j,$把所有加工量分布点的材料去除量r_i按顺序组成一个材料去除量向量r，则加工过程模型可以表示为r＝At，其中A为1829行3281列的加工矩阵，第i行第j列的元素为a_ij，a_ij＝b(x_i-u_j，y_i-v_j)；

4、根据加工精度求解原始驻留时间向量：根据与实施例1相同的计算方法求解截断参数k的值，但由于本实施例中要求的rms＝0.03λ，所以计算出的截断参数k＝47，得到的原始驻留时间向量t在二维平面上的分布如图7所示；

5、修正驻留时间：由于本实施例中计算所得的各点原始加工驻留时间t_j中出现负值，因此可根据与实施例1相同的方法对原始驻留时间向量t进行修正，上述步骤4中计算得到的原始驻留时间向量t经修正之后，得到的修正驻留时间向量t′如图8所示，总驻留时间(加工时间)为25.08min；

6、根据修正驻留时间向量生成数控加工代码进行加工：本实施例的加工精度要求是0.03λ，总加工时间为25.08min，根据最后的修正驻留时间向量t′的元素t_a和其坐标(u_j，v_j)，采用现有技术生成数控加工代码，再通过数控加工实现对面形收敛精度的控制。

离子束加工完成后，采用激光干涉仪检测了加工后的光学镜面的面形误差分布，检测结果如图9所示，实际加工的精度是0.032λ，与计算精度0.03λ基本吻合。

由实施例1和实施例2比较可以看出，虽然实施例2中镜面的初始面形(0.144λrms)比实施例1中的镜面初始面形差，但是由于实施例2中要求的面形精度(0.03λrms)低于实施例1中要求的面形精度(0.01λrms)，采用本发明所提出的面形收敛控制方法计算所得的实施例2的加工时间(25.08min)比实施例1的加工时间(34.14min)短。