一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法技术

本发明专利技术提供一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法，属于工程光学技术领域。本发明专利技术首先以非球面光学元件非球面的顶点为原点、以回转曲线旋转轴为Z轴、以非球面光学元件侧边平行方向为Y轴、以非球面光学元件出光面平行方向为X轴建立加工坐标系，并得到入光面的非球面方程，设置紫外激光预处理过程的加工参数，所述加工参数包括光斑大小、加工速度以及光斑重叠率；然后分别计算X、Y和Z轴的补偿函数；最后根据得到的补偿函数计算扫描设备的运动函数。本发明专利技术解决了现有紫外预处理技术出光面光斑的大小不恒定，导致紫外预处理效果差的问题。本发明专利技术可用于紫外激光预处理非球面光学元件，暴露亚表层缺陷。

A planning method for UV preprocessing path of aspherical optical element surface

The invention provides a planning method for ultraviolet pretreatment trajectory of aspheric optical element surface, which belongs to the technical field of Engineering optics. The method first establishes a processing coordinate system with the apex of aspheric surface of aspheric optical element as origin, the rotation axis of rotation curve as Z axis, the lateral parallel direction of aspheric optical element as Y axis, and the lateral parallel direction of aspheric optical element as X axis. The aspheric surface equation of the aspheric surface is obtained, and the ultraviolet laser pretreatment is set up. The processing parameters include the size of the spot, the processing speed and the overlap rate of the spot. Then the compensation functions of X, Y and Z axes are calculated respectively. Finally, the motion functions of the scanning equipment are calculated according to the compensation functions. The invention solves the problem that the size of the light spot on the surface of the existing ultraviolet pretreatment technology is not constant, resulting in poor ultraviolet pretreatment effect. The invention can be used for ultraviolet laser preprocessing of aspherical optical elements and expose sub surface defects.

【技术实现步骤摘要】
一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法
本专利技术属于工程光学
，具体涉及一种表面紫外预处理轨迹的规划方法。
技术介绍
大口径非球面光学元件作为高功率固体激光装置中终端光学组件的聚焦透镜，具有不可替代的作用，它将平行入射的高能三倍频激光聚焦到靶丸处，实现高激光能量密度的条件。光学元件的结构如图1所示，其入光面1非球面，出光面(与入光面相对的面)为平面，其余侧面均为平面。其材质熔石英等作为一种典型的硬脆材料，在冷加工过程中易产生微裂纹、凹坑等表层或亚表层微缺陷，其中表层微缺陷可通过高分辨率相机进行快速检测，而亚表层缺陷则无法检测。带有亚表层缺陷的熔石英光学元件在高能激光辐照下诱导产生表层微缺陷，而且随着辐照次数的增加，微缺陷的尺寸呈指数性增长，使得熔石英光学元件的通光性能、热力学特性被弱化，严重影响了强激光输出的能流密度及光学元件的使用寿命。因此，亚表层缺陷的存在对光学元件的性能是一种潜在危害，必须采取有效的手段减少其危害。现阶段，对熔石英光学元件亚表层微缺陷的直接检测缺少行之有效的手段，通常采用间接检测的方法。通过化学刻蚀或紫外激光辐照光学元件表面，暴露亚表层缺陷，再用高分辨率相机进行快速检测，最后用红外激光修复暴露的微缺陷点，从而实现对亚表层缺陷的去除。化学刻蚀方法是采用酸或碱与熔石英材料中的SiO2反应，将光学元件表层材料去除，达到暴露亚表层缺陷的目的，但同时会引入反应沉积物，造成光学元件表面粗糙度、面型精度降低，影响光学元件的通光性能。紫外激光辐照方法是通过扫描的方式辐照光学元件全口径表面，亚表层缺陷是低阈值点，在紫外激光辐照下，会引爆产生表层微缺陷，达到暴露的目的，该方法克服了化学刻蚀的一些缺点，在工程中已经有一定的应用。聚焦紫外光斑通过非球面入射到光学元件内部，将光斑聚焦到出光面上，实现聚焦光斑在出光面上扫描运动，辐照全口径。对于非球面入射面，紫外光斑在不同位置处的折射角不同，光学元件内部的传播路径不同，造成光程差不同。现阶段为了实现对非球面光学元件表面进行全口径紫外光斑扫描预处理，首先确定得到光学元件出光平面上的扫描点坐标矩阵，然后根据非球面方程计算得到非球面上的坐标矩阵，最终输入到系统中实现全口径扫描。这种方法的缺点是未考虑到光斑在光学元件中的折射以及折射造成的光程差，导致出光面光斑的大小不恒定，能量不均衡，对紫外预处理的效果产生影响，最终导致亚表层缺陷暴露不彻底甚至产生表面损伤。
技术实现思路
本专利技术为解决现有紫外预处理技术出光面光斑的大小不恒定，导致紫外预处理效果差的问题，提供了一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法。本专利技术所述一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法，通过以下技术方案实现：步骤一、以非球面光学元件非球面的顶点为原点、以回转曲线旋转轴为Z轴、以非球面光学元件侧边平行方向为Y轴、以非球面光学元件出光面平行方向为X轴建立加工坐标系，并得到入光面的非球面方程；步骤二、设置紫外激光预处理过程的加工参数，所述加工参数包括光斑大小、加工速度以及光斑重叠率；步骤三、分别计算X、Y和Z轴的补偿函数；所述补偿函数是由于光学元件非球面的存在导致的光路偏差；步骤四、根据步骤三中得到的补偿函数计算扫描设备的运动函数。进一步的，步骤一中所述入光面的非球面方程为：其中：1/c为顶点处曲率半径，c为顶点处曲率半径的倒数；k为圆锥系数；x、y分别表示入光面上点的X轴坐标和Y轴坐标。进一步的，步骤二中所述设置加工参数的具体步骤包括：步骤二一、将非球面光学元件的出光面设置为加工表面，加工方向为Z轴正向；步骤二二、设置紫外光斑直径为D；步骤二三、设置紫外光斑的扫描速度v，根据紫外光斑的频率f，计算得到紫外光斑在X轴方向上的扫描重叠率为Ox＝1-v/Df；步骤二四、设置紫外光斑的步进距离df，计算得到紫外光斑在Y轴方向上的扫描重叠率为Oy＝1-df/D。进一步的，步骤三中所述计算Y轴的补偿函数的具体过程包括：设紫外激光束从A(x0,y0,z0)点入射，经过折射后从C(xc,yc,d2)点处出射；其中，x0、y0、z0分别为点的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标，xc、yc分别为点的X轴坐标、Y轴坐标，d2为原点O到出光面之间的垂直距离；将各个坐标投影到与YZ平行的平面上，则有：紫外激光束从Ay(y0,z0)点入射，经过折射后从Cy(yc,d2)点处出射；则紫外激光束从点Ay(y0,z0)入射时，出光面的紫外光斑在Y方向的偏移量为：其中，紫外激光束在空气中的折射率为n1，在光学元件中的折射率为n2；αy表示紫外激光束在Ay点处的入射角；用入射点A′y(yc，zc),处的Y方向的偏移量Δy′c替代Δyc，得到Y轴的补偿函数：α′y＝π/2-tan-1kyc(14)其中，zc为点A′y的Z轴坐标，α′y表示紫外激光束在A′y点处的入射角，kyc表示点A′y处的切线斜率。进一步的，步骤三中所述计算X轴的补偿函数的具体过程包括：设紫外激光束从A(x0，y0，z0)点入射，经过折射后从C(xc，yc，d2)点处出射；将各个坐标投影到与XZ平行的平面上，则有：紫外激光束从Ax(y0，z0)点入射，经过折射后从Cx(xc，d2)处出射，则紫外光斑在X方向的偏移量为：其中，αx为紫外激光束在Ax点处的入射角；用从点A′x(xc,zc)处入射，出光面的紫外光斑的偏移量Δx′c替代Δxc，得到X轴的补偿函数：α′x＝π/2-tan-1kxc(17)其中，α′x表示紫外激光束在A′x点处的入射角，kxc表示点A′x处的切线斜率。进一步的，步骤三中所述点A′y处的切线斜率kyc的具体计算方法为：进一步的，步骤三中所述计算Z轴的补偿函数的具体过程包括：紫外激光束从点A(x0，y0，z0)入射时，出光面的紫外光斑在Z方向的偏移量为：其中，α表示紫外激光束在A点处的入射角，β表示紫外激光束在A点处的出射角；用紫外激光束从点A′(xc，yc，zc)入射时，出光面的紫外光斑在Z方向的偏移量Δz′c替代Δzc，得到Z轴的补偿函数：其中，α‘表示紫外激光束在A′点处的入射角，β’表示紫外激光束在A′点处的出射角。进一步的，步骤四中所述计算扫描设备的运动函数具体为：其中，x(t)表示t时刻扫描设备上的聚焦透镜的X轴坐标，y(t)表示t时刻扫描设备上的聚焦透镜的Y轴坐标，z(t)表示t时刻扫描设备上的聚焦透镜的Z轴坐标，xc(t)表示t时刻紫外光斑的X轴坐标值，yc(t)表示t时刻紫外光斑的Y轴坐标值，Δx′c(t)表示t时刻的Δx′c值，Δy′c(t)表示t时刻的Δy′c值，Δz′c(t)表示t时刻的Δz′c值，d表示扫描设备上的聚焦透镜与非球面光学元件之间的距离。进一步的，步骤二中所述紫外光斑直径D在1mm～4mm之间。本专利技术最为突出的特点和显著的有益效果是：本专利技术所涉及的一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法，通过推导计算得到在扫描设备的运动方程和出光面方程的映射关系，对扫描设备上的聚焦透镜的运动轨迹进行规划，将紫外光斑聚焦在出光面上，并实现预定的全口径扫描运动。本专利技术方法操作起来方便，能够灵活调整路径，且精度较高。具体包括以下优点：(1)考虑了紫外聚焦光斑在非球面界面处的折射造成的光程差，实现了非球面光学元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤一、以非球面光学元件非球面的顶点为原点、以回转曲线旋转轴为Z轴、以非球面光学元件侧边平行方向为Y轴、以非球面光学元件出光面平行方向为X轴建立加工坐标系，并得到入光面的非球面方程；步骤二、设置紫外激光预处理过程的加工参数，所述加工参数包括光斑大小、加工速度以及光斑重叠率；步骤三、分别计算X、Y和Z轴的补偿函数；所述补偿函数是由于光学元件非球面的存在导致的光路偏差；步骤四、根据步骤三中得到的补偿函数计算扫描设备的运动函数。

【技术特征摘要】
1.一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤一、以非球面光学元件非球面的顶点为原点、以回转曲线旋转轴为Z轴、以非球面光学元件侧边平行方向为Y轴、以非球面光学元件出光面平行方向为X轴建立加工坐标系，并得到入光面的非球面方程；步骤二、设置紫外激光预处理过程的加工参数，所述加工参数包括光斑大小、加工速度以及光斑重叠率；步骤三、分别计算X、Y和Z轴的补偿函数；所述补偿函数是由于光学元件非球面的存在导致的光路偏差；步骤四、根据步骤三中得到的补偿函数计算扫描设备的运动函数。2.根据权利要求1所述一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法，其特征在于，步骤一中所述入光面的非球面方程为：其中：1/c为顶点处曲率半径，c为顶点处曲率半径的倒数；k为圆锥系数；x、y分别表示入光面上点的X轴坐标和Y轴坐标。3.根据权利要求1或2所述一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法，其特征在于，步骤二中所述设置加工参数的具体步骤包括：步骤二一、将非球面光学元件的出光面设置为加工表面，加工方向为Z轴正向；步骤二二、设置紫外光斑直径为D；步骤二三、设置紫外光斑的扫描速度v，根据紫外光斑的频率f，计算得到紫外光斑在X轴方向上的扫描重叠率为Ox＝1-v/Df；步骤二四、设置紫外光斑的步进距离df，计算得到紫外光斑在Y轴方向上的扫描重叠率为Oy＝1-df/D。4.根据权利要求3所述一种非球面光学元件表面紫外预处理轨迹的规划方法，其特征在于，步骤三中所述计算Y轴的补偿函数的具体过程包括：设紫外激光束从A(x0，y0，z0)点入射，经过折射后从C(xc，yc，d2)点处出射；其中，x0、y0、z0分别为点A的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标，xc、yc分别为点C的X轴坐标、Y轴坐标，d2为原点O到出光面之间的垂直距离；将各个坐标投影到与YZ平行的平面上，则有：紫外激光束从Ay(y0，z0)点入射，经过折射后从Cy(yc，d2)点处出射；则紫外激光束从点Ay(y0，z0)入射时，出光面的紫外光斑在Y方向的偏移量为：其中，紫外激光束在空气中的折射率为n1，在光学元件中的折射率为n2；αy表示紫外激光束在Ay点处的入射角；用入射点A′y(yc，zc)处的Y方向的偏移量Δy′c替代Δyc，得到Y轴的补偿函数：α′y＝π/2-tan-1kyc(14)其中，zc为点...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，赵林杰，程健，吴春亚，袁晓东，廖威，刘启，杨浩，王海军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23