專利名稱：確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的方法，屬于光學(xué)加工與測(cè)試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在精密光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件的中高頻誤差對(duì)元件的質(zhì)量影響越來越受到關(guān)注，需要對(duì)元件表面的頻率進(jìn)行評(píng)價(jià)和限制。不同的工藝參數(shù)設(shè)定對(duì)鏡面頻譜分布的影響差別很大。研究加工中各種工藝參數(shù)對(duì)鏡面表面的誤差頻率的影響可以為進(jìn)一步完善大口徑非球面鏡面加工工藝提供理論基礎(chǔ)。
目前國(guó)內(nèi)外研究光學(xué)元件的加工技術(shù)主要集中在以峰谷值和均方根值兩項(xiàng)指標(biāo)為導(dǎo)向提高相應(yīng)加工技術(shù)的誤差收斂能力上，從元件制造誤差的垂直量角度來考慮如何提高光學(xué)元件的加工質(zhì)量，對(duì)于如何控制水平方向加工誤差，即如何確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的關(guān)系尚屬空白。
美國(guó)勞倫斯·利夫摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在“國(guó)家點(diǎn)火裝置(National lgnitionFacility-NIF)”的研制過程中，根據(jù)光學(xué)元件的口徑、自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)和空間濾波器的設(shè)計(jì)原則，按照空間頻率的不同將光學(xué)元件的制造誤差具體分為高、中、低三段。他們提出了評(píng)價(jià)光學(xué)元件表面質(zhì)量和制造誤差的新方法，即用波前功率譜密度來確定不同頻段誤差的含量，但未提出如何確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的關(guān)系。
波前功率譜密度是一種描述波前信息的新方法，它與以往各種表面評(píng)價(jià)參數(shù)相比最大的優(yōu)點(diǎn)在于功率譜密度可以綜合評(píng)價(jià)表面起伏的垂直量和水平量，并體現(xiàn)兩者間的關(guān)系，因此采用波前功率譜密度作為指標(biāo)來評(píng)價(jià)加工后的光學(xué)元件的表面頻率分布，進(jìn)而分析加工工具性能、形狀及其運(yùn)動(dòng)方式對(duì)元件表面的頻率分布的影響是可行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性關(guān)系的方法，該方法通過一維功率譜密度比值及功率譜密度累計(jì)增幅作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定工藝參數(shù)同頻譜分布特性的關(guān)系，為從頻域角度考慮光學(xué)元件的加工提供工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的方法，其特征在于通過以下步驟完成(1)記錄光學(xué)元件加工的工藝參數(shù)，包含加工工具的性能、形狀及運(yùn)動(dòng)方式，并對(duì)元件進(jìn)行加工；(2)通過光學(xué)元件制造誤差檢測(cè)裝置(如三坐標(biāo)儀、干涉儀、哈特曼等)采用通用檢測(cè)方式獲得被檢光學(xué)元件的制造誤差數(shù)據(jù)；(3)利用最小二乘法對(duì)元件制造誤差數(shù)據(jù)消除趨勢(shì)項(xiàng)，根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)濾波器對(duì)前述數(shù)據(jù)做剔除噪聲、濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作；(4)確定所測(cè)數(shù)據(jù)的最大空間頻譜范圍與有效空間頻譜范圍，最大空間頻譜范圍1/L＜f＜N/(2L)有效空間頻率寬度2/L＜f＜N/(4L)式中L為采樣長(zhǎng)度，N為有效采樣點(diǎn)數(shù)；由加工的工藝參數(shù)及所測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜范圍確定各參數(shù)可能導(dǎo)致的頻譜變化區(qū)間及主要影響區(qū)間，并考慮該頻譜信息是否包含在所測(cè)數(shù)據(jù)中；(5)對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)作波前功率譜密度計(jì)算，獲取被檢元件的一維功率譜密度函數(shù)PSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N為采樣間隔，L為采樣長(zhǎng)度，N為有效采樣點(diǎn)數(shù)；z(n)為光學(xué)元件的制造誤差數(shù)據(jù)；fm＝m/(N·Δx)為空間頻率，-N/2≤m≤N/2；
(6)計(jì)算功率譜密度比值；將第一次測(cè)得的光學(xué)元件制造誤差數(shù)據(jù)的功率譜密度記為PSD1，第二次的記為PSD2，依此類推，將第N次的記為PSDN，n＝2，3，...，N。記Rn=PSDnPSDl]]>Rn為功率譜密度比值；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn為功率譜密度累計(jì)增幅；(7)將步驟(6)所得功率譜密度比值及累計(jì)增幅初步確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的關(guān)系；(8)改變相應(yīng)工藝參數(shù)，重復(fù)上述步驟，直到確定相應(yīng)工藝參數(shù)與元件頻譜分布特性的關(guān)系。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明提供了從頻譜角度來考慮光學(xué)加工中工藝參數(shù)設(shè)定與工件表面頻譜分布特性的解決方法，適用于解決數(shù)控高精度光學(xué)元件制造誤差的頻譜誤差加工的問題。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1針對(duì)檢測(cè)口徑＝670mm非球面鏡檢測(cè)所得樣品制造誤差分布圖，數(shù)據(jù)為利用三坐標(biāo)儀測(cè)得的光學(xué)元件在細(xì)磨階段第一次測(cè)量的面形誤差數(shù)據(jù)；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中第一次測(cè)量的數(shù)據(jù)的功率譜密度圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的六次測(cè)量數(shù)據(jù)的功率譜密度比值圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的六次測(cè)量數(shù)據(jù)的功率譜密度累計(jì)增幅圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，通過本發(fā)明的方法加工口徑＝670mm非球面鏡時(shí)確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的分析過程①對(duì)口徑為＝670mm，材料為微晶光學(xué)玻璃的一塊圓形光學(xué)元件進(jìn)行加工，此時(shí)元件處于細(xì)磨階段。對(duì)該光學(xué)元件采取的加工方式為小磨具口徑為＝50mm，材料為H62，運(yùn)動(dòng)步進(jìn)為7mm，偏擺為6mm，磨具從工件中心向工件外緣勻速運(yùn)動(dòng)，做全口徑平滑加工；②利用三坐標(biāo)儀檢測(cè)該元件，利用三坐標(biāo)儀檢測(cè)時(shí)，沿徑向的采樣長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝250mm，采樣點(diǎn)數(shù)為N＝51點(diǎn)，沿徑向等間隔測(cè)m(m≥20)條數(shù)據(jù)。檢測(cè)前在光學(xué)元件上做好標(biāo)記，以保證每次檢測(cè)時(shí)測(cè)量的是光學(xué)元件的同一位置。該元件的面形誤差數(shù)據(jù)如圖1所示；③利用最小二乘法對(duì)元件制造誤差數(shù)據(jù)消除趨勢(shì)項(xiàng)，根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)濾波器對(duì)前述數(shù)據(jù)做剔除噪聲、濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作；④確定所測(cè)數(shù)據(jù)的最大空間頻譜范圍與有效空間頻譜范圍；最大空間頻譜范圍1/L＜f＜N/(2L) 0.004mm-1＜f＜0.102mm-1有效空間頻率寬度2/L＜f＜N/(4L) 0.008mm-1＜f＜0.051mm-1式中L為采樣長(zhǎng)度，N為有效采樣點(diǎn)數(shù)；磨具口徑為＝50mm，可能影響的頻率范圍f≥1/50mm-1，磨盤沿徑向從工件中心向工件外緣勻速運(yùn)動(dòng)，做全口徑平滑加工，行程200mm，可能影響的空間頻率f≥1/200mm-1；磨盤運(yùn)動(dòng)步進(jìn)為7mm，偏擺為6mm，可能影響的頻率范圍超出測(cè)量數(shù)據(jù)所能提供的信息，排除其對(duì)此次數(shù)據(jù)的影響；⑤對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)作波前功率譜密度計(jì)算，獲取被檢元件的一維功率譜密度函數(shù)；PSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N為采樣間隔，L為采樣長(zhǎng)度，N為有效采樣點(diǎn)數(shù)；z(n)為光學(xué)元件的制造誤差數(shù)據(jù)；fm＝m/(N·Δx)為空間頻率，-N/2≤m≤N/2；計(jì)算m條數(shù)據(jù)線的功率譜密度值并平均處理，獲得被檢光學(xué)元件的徑向一維平均功率譜密度，代表整個(gè)元件表面的質(zhì)量，結(jié)果如圖2所示；
⑥計(jì)算功率譜密度比值將第一次測(cè)得的光學(xué)元件制造誤差數(shù)據(jù)的功率譜密度記為PSD1，第二次的記為PSD2，依此類推，將第N次的記為PSDN，n＝2，3，...，N。記Rn=PSDnPSD1]]>Rn為功率譜密度比值，計(jì)算結(jié)果如圖3所示；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn為功率譜密度累計(jì)增幅，計(jì)算結(jié)果如圖4所示；⑦由上一步所得功率譜密度比值初步確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的關(guān)系，如圖3，圖4中第2、3、4、5四條曲線所示，對(duì)應(yīng)各頻率的成分均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，有效頻率范圍內(nèi)，f＝1/100mm-1附近譜線表現(xiàn)最強(qiáng)，由步驟4中的分析可知，導(dǎo)致這種情況的最大原因應(yīng)為磨盤沿徑向從工件中心向工件外緣勻速運(yùn)動(dòng)，做全口徑平滑加工這種運(yùn)動(dòng)方式；⑧由加工的工藝參數(shù)(包含加工工具的性能、形狀及運(yùn)動(dòng)方式，被加工件的運(yùn)動(dòng)方式)確定各參數(shù)可能導(dǎo)致的頻譜變化區(qū)間及主要影響區(qū)間，確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的關(guān)系。
改變磨盤運(yùn)動(dòng)方式，增加了磨具沿工件徑向的短周期運(yùn)動(dòng)，重復(fù)以上步驟，在圖3中第6條曲線可見，f＝1/100mm-1附近的譜線受到了明顯的抑制作用。
權(quán)利要求
1.確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的方法，其特征在于通過以下步驟完成(1)記錄光學(xué)元件加工的工藝參數(shù)，包含加工工具的性能、形狀及運(yùn)動(dòng)方式，并對(duì)元件進(jìn)行加工；(2)通過光學(xué)元件制造誤差檢測(cè)裝置采用通用檢測(cè)方式獲得被檢光學(xué)元件的制造誤差數(shù)據(jù)；(3)利用最小二乘法對(duì)元件制造誤差數(shù)據(jù)消除趨勢(shì)項(xiàng)，根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)濾波器，并對(duì)前述數(shù)據(jù)做剔除噪聲、濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作；(4)確定所測(cè)數(shù)據(jù)的最大空間頻譜范圍與有效空間頻譜范圍，最大空間頻譜范圍1/L＜f＜N/(2L)，有效空間頻率寬度2/L＜f＜N/(4L)；式中L為采樣長(zhǎng)度，N為有效采樣點(diǎn)數(shù)；由加工的工藝參數(shù)及所測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜范圍確定各參數(shù)可能導(dǎo)致的頻譜變化區(qū)間及主要影響區(qū)間，并考慮該頻譜信息是否包含在所測(cè)數(shù)據(jù)中；(5)對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)作波前功率譜密度計(jì)算，獲取被檢元件的一維功率譜密度函數(shù)PSDPSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N為采樣間隔，L為采樣長(zhǎng)度，N為有效采樣點(diǎn)數(shù)；z(n)為光學(xué)元件的制造誤差數(shù)據(jù)；fm＝m/(N·Δx)為空間頻率，-N/2≤m≤N/2；(6)計(jì)算功率譜密度比值；將第一次測(cè)得的光學(xué)元件制造誤差數(shù)據(jù)的功率譜密度記為PSD1，第二次的記為PSD2，依此類推，將第N次的記為PSDN，n＝2，3，...，N，記Rn=PSDnPSD1]]>Rn為功率譜密度比值；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn為功率譜密度累計(jì)增幅；(7)將步驟(6)所得功率譜密度比值及累計(jì)增幅初步確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的關(guān)系；(8)改變相應(yīng)工藝參數(shù)，重復(fù)上述步驟，直到確定相應(yīng)工藝參數(shù)與元件頻譜分布特性的關(guān)系。
全文摘要
確定工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的方法，涉及一種從空間頻譜角度分析光學(xué)元件制造誤差，尤其是表面面形中高頻誤差與工藝參數(shù)的定性定量關(guān)系，利用信息處理技術(shù)對(duì)測(cè)試儀器所獲取的光學(xué)元件的制造誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采取一維功率譜密度比值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)確定工藝參數(shù)同頻譜分布特性的關(guān)系。本發(fā)明通過對(duì)工藝參數(shù)與工件表面頻譜分布特性的定性定量研究，提供了一條光學(xué)元件面形加工中工藝參數(shù)確定的新方法，對(duì)高質(zhì)量光學(xué)元件的加工具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1936646SQ20061011371
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者陳偉, 姚漢民, 伍凡, 萬勇建, 范斌, 朋漢林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所