基于非线性建模的纳米精度光学曲面离子束加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非线性建模的纳米精度光学曲面离子束加工方法，步骤包括：获取待加工曲面光学零件的基本去除函数；在基本去除函数的基础上，根据投影畸变、加工参数、待加工曲面光学零件在内的工艺条件进行非线性建模构造待加工曲面光学零件的动态去除函数的非线性模型；根据动态去除函数的非线性模型对离子束抛光加工的驻留时间进行精确求解；根据求解得到的驻留时间进行离子束抛光加工。本发明专利技术能够消除上述工艺条件对材料去除模型的影响、提升加工时所需驻留时间的求解精度、实现面形误差的精确去除。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学元件加工技术，具体涉及一种基于非线性建模的纳米精度光学曲 面离子束加工方法。
技术介绍
随着装备性能需求的不断提升，现代光学系统对光学零件制造精度的要求越来越 苛刻，例如空间X射线光学元件和极紫外光刻物镜，通常需要表面的面形精度达到纳米甚 至亚纳米精度，对光学制造技术提出了极大的挑战。传统光学加工方法在加工精度和加工 效率等方面已经无法满足需求，由此需要发展新型的确定性光学加工技术。 离子束抛光技术利用离子溅射效应对材料进行去除，有纳米/亚纳米量级的加工 精度。高确定性、高稳定性和非接触的加工方式，使得离子束抛光加工在很多方面都优于传 统抛光技术，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。最典型的应用就是光 刻物镜制造，其光学零件的面形精度和光滑度都需要亚纳米量级，充分体现了离子束的抛 光能力。为了满足高精度曲面光学零件加工的需求，许多研究机构都研制了自己的离子束 抛光设备。其中日本Cannon公司、德国NTGL公司和国防科技大学精密工程实验室开发了 五轴的离子束系统，成功地获得了高精度的面形精度结果，除此之外，德国NTGL公司和国 防科技大学精密工程实验室还研制了低成本的三轴系统，使用补偿加工的方式同样实现了 曲面光学零件的高精度加工。 离子束抛光技术基于CC0S成型原理，其基本思想就是构建材料去除的数学模型， 通过选定的求解算法得到加工所需的驻留时间，最后规划加工路径并采用数控方法实现加 工过程。在此过程中，材料去除精确模型的建立在理论层面上就直接影响了高精度制造的 可实现性和高效性。当前的CC0S原理指出材料去除量可以表示成去除函数与驻留时间的 二维卷积，并且假定去除函数在加工过程中具有时空不变性，驻留时间的求解便是反卷积 的操作过程，那么抛光工具不能随时间和空间发生变化，否则会引起实际的材料去除量与 期望的去除量产生偏差。该求解驻留时间的方法，对于加工平面光学镜面是实用的，不需要 进行相关的处理过程。但是，球面和非球面等曲面光学零件在现代高性能光学系统中占大 多数，对于球面和非球面的光学镜面而言，三维坐标系下的面形误差E'（x，y，z)转换到二 维卷积中误差表示E(x，y)过程中会产生投影变形问题，同时去除函数在投影面上各驻留 点处也不再具有一致性的特点，此时现有材料去除模型已经不再具有普适性。如果在求解 驻留时间时仍然认为去除函数是不变的话，势必会影响驻留时间的精确求解，从而导致加 工效率和加工精度的降低。 然而，应用于现有曲面光学零件的三轴和五轴加工工艺的材料去除模型通常采用 近似或者补偿的加工方法，未能建立确定性抛光的准确修形模型，影响了制造精度和制造 精度的进一步提升。因此，根据曲面光学零件几何形状、离子束加工方式和离子束加工参数 等条件建立去除函数的精确模型，并且将其应用于光学零件加工时的驻留时间求解，对于 实现光学零件的高精密高效制造具有重要的实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够消除上述工 艺条件对材料去除模型的影响、提升加工时所需驻留时间的求解精度、实现面形误差的精 确去除的。 为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为： -种，步骤包括： 1)获取待加工曲面光学零件的基本去除函数； 2)在基本去除函数的基础上，根据投影畸变、加工参数、待加工曲面光学零件在内 的工艺条件进行非线性建模构造待加工曲面光学零件的动态去除函数的非线性模型； 3)根据所述动态去除函数的非线性模型对离子束抛光加工的驻留时间进行精确 求解； 4)根据求解得到的驻留时间进行离子束抛光加工。 优选地，所述步骤2)的详细步骤包括： 2. 1)在基本去除函数的基础上，计算进行离子束抛光加工的离子扩散角γ ; 2. 2)利用离子溅射的分子动力学仿真软件获得离子束抛光加工的入射离子能量 沉积的高斯分布参数，所述高斯分布参数包括能量沉积的平均深度Ρ，沿离子入射方向的 能量沉积宽度α、沿垂直于离子入射方向的能量沉积宽度β ; 2. 3)对待加工曲面光学零件的面形误差数据进行网格化得到离散的面形误差 E(xm，yn)，其中（xm，yn)为待加工点，设定离子束在各驻留点处对应的革Ε距为恒定值Η ρ，计算 进行离子束抛光加工时离子束驻留在任一点（X' i，太J时待加工点所对应的入 射角θ ; 2.4)判断离子束抛光加工所采用的工艺，若采用的工艺为三轴离子束加工工艺， 则跳转执行步骤2. 5)，否则若采用的工艺为五轴离子束加工工艺，则跳转执行步骤2. 6); 2. 5)构造式⑴所示待加工曲面光学零件的动态去除函数的非线性模型； 式（1)中，Rd(X，Y)为离子束在各驻留点（X' i，太.i)时的动态去除函数，（X，Y) 为工件坐标系中被加工点的坐标，（X' i>y' j)为工件坐标系中驻留点的坐标，σ为去除 函数的束径参数，vF为峰值去除函数； 2. 6)构造式（2)所示待加工曲面光学零件的动态去除函数的非线性模型； 式（2)中，Rd(X，Y)为离子束在各驻留点（X' 1>y',)时的动态去除函数， (X，Y，Z)为工件坐标系中被加工点的坐标，Z为待加工曲面光学零件的几何曲面方程， (? i，太k)为工件坐标系中驻留点的坐标；σ为待加工点处的去除函数束径参数，为驻留点Ρ处离子束入射方向的单位 矢量；VF为峰值去除函数。 优选地，所述式（1)和式（2)中去除函数的束径参数〇的计算表达式如式⑶所 示； 式（3)中，〇为待加工点处的去除函数束径参数，〇 驻留点Ρ处对应的去除函 数参数，Η为待加工点与驻留点处祀距的差值，γ为离子扩散角。 优选地，所述式（1)和式（2)中峰值去除函数1的计算表达式如式（4)所示； 式（4)中，VP为设定离子束在各驻留点处对应的峰值去除速率，Θ为离子束驻留 在任一点i，太i)时与各待加工点对应的入射角，P为高斯分布参数包括能 量沉积的平均深度，α为沿离子入射方向的能量沉积宽度，β为垂直于离子入射方向的能 量沉积宽度。 优选地，所述待加工点处的去除函数束径参数σ为待加工点处的去除函数束径 的六分之一，所述驻留点Ρ处对应的去除函数参数σ ρ为驻留点Ρ处对应的去除函数束径 的六分之一。 优选地，所述步骤2. 1)的详细步骤包括： 2. 1. 1)根据所述基本去除函数中各加工点处的去除函数束径和靶距，采用式（5) 所示直线拟合方式进行拟合得到拟合直线斜率Κ ; d = KH+b (5) 式（5)中，d为去除函数束径，Η为靶距，b为常数； 2. 1. 2)根据式（6)所示函数表达式计算得到离子扩散角γ ; γ = arctan (3K当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非线性建模的纳米精度光学曲面离子束加工方法，其特征在于步骤包括：1)获取待加工曲面光学零件的基本去除函数；2)在基本去除函数的基础上，根据投影畸变、加工参数、待加工曲面光学零件在内的工艺条件进行非线性建模构造待加工曲面光学零件的动态去除函数的非线性模型；3)根据所述动态去除函数的非线性模型对离子束抛光加工的驻留时间进行精确求解；4)根据求解得到的驻留时间进行离子束抛光加工。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖文林，戴一帆，解旭辉，周林，徐明进，鹿迎，
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：湖南;43