确定性光学加工条件下频段误差分布特性的分析方法技术

本发明专利技术公开了一种确定性光学加工条件下频段误差分布特性的分析方法：１）采用光学检测装置得到被测光学元件加工后的面形误差数据；２）利用面形误差数据计算出ＰＳＤ曲线，根据ＰＳＤ曲线的极大值点确定光学加工误差的敏感频段；３）针对光学加工误差的分布特征，依据相似性原则，选择基本小波；４）利用二维连续小波变换对光学加工误差的敏感频段进行分析，确定其具体分布区域；５）分析光学加工误差敏感频段的分布特性与工艺参数之间的关系，为修正加工提供指导。它对于减小或消除确定性光学加工条件下产生的“碎带”误差，提高光学零件的性能指标具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学表面加工分析方法，具体涉及确定性光学加工条 件下频段误差分布特性的分析方法。技术背景确定性光学加工方法的理论基础是Preston方程，目前主要有双转 子小磨头研抛、磁流变抛光(Magnetorheological Finishing, MRF)和 离子束加工(Ion Beam Figuring, IBF)等。通过采用比工件尺寸小得 多的加工工具进行定区域修研，确定性光学加工方法大幅提高了加工 精度，但同时也导致工件表面除了低频的面形误差外，往往还包含较 多的中高频成份，也就是通常所说的"碎带"误差。这些"碎带"误 差的存在严重降低了光学系统的性能，例如介于低频和高频之间的中 频误差会产生小角度散射，在降低光场峰值强度的同时，显著增大了 光斑的尺寸，使图像变得模糊。为了避免"碎带"误差的影响，使光学元件达到系统要求的性能 指标，需要从频域角度分析确定性光学加工误差的分布特性。计算光学加工误差的功率谱密度(Power Spectral Density fiinction， PSD)是一种简单实用的频域分析方法，能够找到加工误差的敏感频段。 但PSD是基于傅立叶变换的全局性数据处理方法，无法确定敏感频段 误差在光学表面的具体分布区域，从而难以与具体的光学加工工艺参 数相结合。为了将频域分析方法与确定性光学加工过程紧密地联系起来，我 们曾经提出基于功率谱密度特征曲线的小波评价方法(参见发表于《激光技术》2007年第6期的论文"小波在基于功率谱密度特征曲线评价 中的应用")，其核心是利用美国劳伦斯'利弗莫尔国家试验室(Lawrence Li vermore National Laboratory, LLNL)提出的功率谱密度特征曲线对 光学表面加工质量进行评价，然后利用局域性的数据处理方法(如小 波变换)确定不合格频段误差在光学表面发生的区域。 这种评价方法的不足之处在于其一用到了 PSD特征曲线，而PSD特征曲线是LLNL在研制"国 家点火装置"中总结的经验曲线，并不适用于任意的加工镜面；其二没有考察加工过程中光学表面误差频率的变化趋势及发现 敏感频段；其三无法分析加工过程中敏感频段误差的分布范围变化，及其 与工艺参数(如走刀间距、去除函数束径大小)之间的联系。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有评价方法的不足，提供一 种，该方法可以 为确定性光学修形加工提供指导，实现精确控制不同频段、不同区域 光学加工误差的目的。本专利技术提出的方法通过以下步骤完成1) 采用光学检测装置得到被测光学元件加工后的面形误差数据， 并消除趋势项和常数项；2) 利用面形误差的测量数据计算出PSD曲线，根据PSD曲线的 极大值点确定光学加工误差的敏感频段，分析加工过程中面形误差的 变化趋势；3) 针对光学加工误差的分布特征，依据相似性原则，选择基本 小波；波变换对光学加工误差的敏感频段进行分析， 确定其具体分布区域；5) 通过比较不同工艺条件下的加工结果，分析光学加工误差敏 感频段的分布特性与工艺参数之间的关系，为修正加工提供指导。在确定性光学加工条件下，工艺参数包括去除函数的束径大小、 走刀间距，通过分析加工后光学表面频段误差的分布范围、幅值大小， 选定合适的去除函数束径和走刀间距。本专利技术方法是一种确定频段、确定区域光学加工误差的分析方法， 它基于PSD曲线确定误差的敏感频段，然后通过局域性数据处理方法 确定敏感频段误差发生的具体区域，为确定性光学修形加工提供指导。 其与现有方法相比，优点在于1、 本专利技术通过二维连续小波变换确定出光学加工误差敏感频段的 具体分布区域，为进一步对光学面形误差进行修正加工提供指导依据，以实现精确控制不同频段、不同区域光学加工误差的目的；2、 与基于功率谱密度特征曲线的小波评价方法相比，由于脱离了 功率谱密度特征曲线，因而具有更宽广的适用范围；3、 通过比较加工过程中敏感频段误差的分布范围变化，能够建立 与工艺参数(走刀间距、去除函数束径)之间的联系，便于指导加工。附图说明图1是本专利技术实施例中OlOOmm微晶玻璃平面镜的原始面形误差 分布图。图2是针对图1中原始面形、利用离子束修正加工后的面形误差 分布图。图3是针对图2中离子束加工后面形、再次进行磁流变抛光后的 面形误差分布图。图4是本专利技术实施例中三次面形误差数据的PSD曲线比较图； 图5是本专利技术实施例中磁流变抛光后lmm频段误差的分布区域图。具体实施方式实施例通过本专利技术的方法，依次分析O)lOOmm微晶玻璃平面镜的原始面 形误差以及离子束加工、磁流变抛光后的面形误差分布特性1) 采用Zygo波面干涉仪得到被测光学元件加工后的面形误差数 据，并消除趋势项和常数项，也可以采用哈特曼阵列、剪切干涉仪等 光学检测装置测量；图1为Zygo波面干涉仪测得、并利用软件消除趋势项和常数项的 (D100mm微晶玻璃平面镜原始面形误差；图2为离子束加工后的面形 误差，与图1相比，误差幅值有所降低；图3为再次进行磁流变抛光 后的面形误差，与图2相比，误差幅值有了进一步改善。图l、图2、 图3均取80%中心区域进行分析，CCD采样周期为0.1mm/pixel，光学 波长为632.8nm。2) 利用面形误差的测量数据计算出PSD曲线，根据PSD曲线的 极大值点确定光学加工误差的敏感频段，分析加工过程中面形误差的 变化趋势；首先计算光学加工误差在不同频率处的离散傅里叶变换值雄)4l!/(")exp(，) 式中，/(")为光学元件表面上一条截线的误差信号，W为误差计算 点数。PSD计算公式为<formula>formula see original document page 6</formula>式中，/o为采样频率，Av为频率间隔。在实际的计算过程中，为了提高信噪比，我们取io条平行截线的PSD值进行平均尸幼-^E尸幼,(v)接下来根据计算的PSD曲线"—^光学加工误差的敏感频段，分析 加工过程中光学元件面形误差的变化趋势。图4为三次面形误差数据的PSD曲线比较图，由图可见PSD曲线 的极大值点包括40mm频段误差(戶0.025mm")、 14mm频段误差 O^O.OTZmm-'X lmm频段误差(^^lmm-1),下面分别进行分析 40mm低频误差经过离子束加工后大幅改善； 14mm中频误差经过离子束加工后基本上没有变化，采用磁流变 抛光后才被消除；这是因为离子束加工的去除函数束径为32mm，磁流 变抛光的去除函数束径为12mm;而在确定性光学加工过程中，当去除 函数的束径小于需要消除的误差频段时，才具有较强的误差去除能力；争磁流变抛光后，lmm频段误差比较明显，这是需要进一步分析 的敏感频段。3) 针对光学加工误差的分布特征，依据相似性原则，选择基本 小波；根据确定性光学加工误差的分布特点，取面形误差的平行截线与 待选基本小波曲线进行比较；根据相似性原则，选择Mexican2d小波 作为基本小波，其频域表达式为-<formula>formula see original document page 7</formula>其中，(/1,/2)表示频域面坐标，原始中心频率&=0.2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定性光学加工条件下频段误差分布特性的分析方法，其特征在于通过以下步骤完成：　　　　１）采用光学检测装置得到被测光学元件加工后的面形误差数据，并消除趋势项和常数项；　　　　２）利用面形误差的测量数据计算出ＰＳＤ曲线，根据ＰＳＤ曲线的极大值点确定光学加工误差的敏感频段，分析加工过程中面形误差的变化趋势；　　　　３）针对光学加工误差的分布特征，依据相似性原则，选择基本小波；　　　　４）利用二维连续小波变换对光学加工误差的敏感频段进行分析，确定其具体分布区域；　　　　５）通过比较不同工艺条件下的加工结果，分析光学加工误差敏感频段的分布特性与工艺参数之间的关系，为修正加工提供指导。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴一帆，李圣怡，王贵林，杨智，吴冬良，吴宇列，解旭辉，
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[中国|湖南]