基于非線性建模的納米精度光學(xué)曲面離子束加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)元件加工技術(shù)，具體涉及一種基于非線性建模的納米精度光學(xué)曲 面離子束加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著裝備性能需求的不斷提升，現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對光學(xué)零件制造精度的要求越來越 苛刻，例如空間X射線光學(xué)元件和極紫外光刻物鏡，通常需要表面的面形精度達(dá)到納米甚 至亞納米精度，對光學(xué)制造技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光學(xué)加工方法在加工精度和加工 效率等方面已經(jīng)無法滿足需求，由此需要發(fā)展新型的確定性光學(xué)加工技術(shù)。
[0003] 離子束拋光技術(shù)利用離子濺射效應(yīng)對材料進(jìn)行去除，有納米/亞納米量級的加工 精度。高確定性、高穩(wěn)定性和非接觸的加工方式，使得離子束拋光加工在很多方面都優(yōu)于傳 統(tǒng)拋光技術(shù)，克服了傳統(tǒng)拋光加工過程中的邊緣效應(yīng)、刀具磨損和壓力負(fù)載等缺點(diǎn)，具有較 高的加工收斂率，通常都作為高精度光學(xué)零件加工的最后一道工序。最典型的應(yīng)用就是光 刻物鏡制造，其光學(xué)零件的面形精度和光滑度都需要亞納米量級，充分體現(xiàn)了離子束的拋 光能力。為了滿足高精度曲面光學(xué)零件加工的需求，許多研究機(jī)構(gòu)都研制了自己的離子束 拋光設(shè)備。其中日本Cannon公司、德國NTGL公司和國防科技大學(xué)精密工程實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了 五軸的離子束系統(tǒng)，成功地獲得了高精度的面形精度結(jié)果，除此之外，德國NTGL公司和國 防科技大學(xué)精密工程實(shí)驗(yàn)室還研制了低成本的三軸系統(tǒng)，使用補(bǔ)償加工的方式同樣實(shí)現(xiàn)了 曲面光學(xué)零件的高精度加工。
[0004] 離子束拋光技術(shù)基于CC0S成型原理，其基本思想就是構(gòu)建材料去除的數(shù)學(xué)模型， 通過選定的求解算法得到加工所需的駐留時間，最后規(guī)劃加工路徑并采用數(shù)控方法實(shí)現(xiàn)加 工過程。在此過程中，材料去除精確模型的建立在理論層面上就直接影響了高精度制造的 可實(shí)現(xiàn)性和高效性。當(dāng)前的CC0S原理指出材料去除量可以表示成去除函數(shù)與駐留時間的 二維卷積，并且假定去除函數(shù)在加工過程中具有時空不變性，駐留時間的求解便是反卷積 的操作過程，那么拋光工具不能隨時間和空間發(fā)生變化，否則會引起實(shí)際的材料去除量與 期望的去除量產(chǎn)生偏差。該求解駐留時間的方法，對于加工平面光學(xué)鏡面是實(shí)用的，不需要 進(jìn)行相關(guān)的處理過程。但是，球面和非球面等曲面光學(xué)零件在現(xiàn)代高性能光學(xué)系統(tǒng)中占大 多數(shù)，對于球面和非球面的光學(xué)鏡面而言，三維坐標(biāo)系下的面形誤差E'（x，y，z)轉(zhuǎn)換到二 維卷積中誤差表示E(x，y)過程中會產(chǎn)生投影變形問題，同時去除函數(shù)在投影面上各駐留 點(diǎn)處也不再具有一致性的特點(diǎn)，此時現(xiàn)有材料去除模型已經(jīng)不再具有普適性。如果在求解 駐留時間時仍然認(rèn)為去除函數(shù)是不變的話，勢必會影響駐留時間的精確求解，從而導(dǎo)致加 工效率和加工精度的降低。
[0005] 然而，應(yīng)用于現(xiàn)有曲面光學(xué)零件的三軸和五軸加工工藝的材料去除模型通常采用 近似或者補(bǔ)償?shù)募庸し椒?，未能建立確定性拋光的準(zhǔn)確修形模型，影響了制造精度和制造 精度的進(jìn)一步提升。因此，根據(jù)曲面光學(xué)零件幾何形狀、離子束加工方式和離子束加工參數(shù) 等條件建立去除函數(shù)的精確模型，并且將其應(yīng)用于光學(xué)零件加工時的駐留時間求解，對于 實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件的高精密高效制造具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種能夠消除上述工 藝條件對材料去除模型的影響、提升加工時所需駐留時間的求解精度、實(shí)現(xiàn)面形誤差的精 確去除的基于非線性建模的納米精度光學(xué)曲面離子束加工方法。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種基于非線性建模的納米精度光學(xué)曲面離子束加工方法，步驟包括：
[0009] 1)獲取待加工曲面光學(xué)零件的基本去除函數(shù)；
[0010] 2)在基本去除函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)投影畸變、加工參數(shù)、待加工曲面光學(xué)零件在內(nèi) 的工藝條件進(jìn)行非線性建模構(gòu)造待加工曲面光學(xué)零件的動態(tài)去除函數(shù)的非線性模型；
[0011] 3)根據(jù)所述動態(tài)去除函數(shù)的非線性模型對離子束拋光加工的駐留時間進(jìn)行精確 求解；
[0012] 4)根據(jù)求解得到的駐留時間進(jìn)行離子束拋光加工。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟2)的詳細(xì)步驟包括：
[0014] 2. 1)在基本去除函數(shù)的基礎(chǔ)上，計算進(jìn)行離子束拋光加工的離子擴(kuò)散角γ ;
[0015] 2. 2)利用離子濺射的分子動力學(xué)仿真軟件獲得離子束拋光加工的入射離子能量 沉積的高斯分布參數(shù)，所述高斯分布參數(shù)包括能量沉積的平均深度Ρ，沿離子入射方向的 能量沉積寬度α、沿垂直于離子入射方向的能量沉積寬度β ;
[0016] 2. 3)對待加工曲面光學(xué)零件的面形誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化得到離散的面形誤差 E(xm，yn)，其中（xm，yn)為待加工點(diǎn)，設(shè)定離子束在各駐留點(diǎn)處對應(yīng)的革Ε距為恒定值Η ρ，計算 進(jìn)行離子束拋光加工時離子束駐留在任一點(diǎn)（X' i，太J時待加工點(diǎn)所對應(yīng)的入 射角θ ;
[0017] 2.4)判斷離子束拋光加工所采用的工藝，若采用的工藝為三軸離子束加工工藝， 則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2. 5)，否則若采用的工藝為五軸離子束加工工藝，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2. 6);
[0018] 2. 5)構(gòu)造式⑴所示待加工曲面光學(xué)零件的動態(tài)去除函數(shù)的非線性模型；
[0020] 式（1)中，Rd(X，Y)為離子束在各駐留點(diǎn)（X' i，太.i)時的動態(tài)去除函數(shù)，（X，Y) 為工件坐標(biāo)系中被加工點(diǎn)的坐標(biāo)，（X' i>y' j)為工件坐標(biāo)系中駐留點(diǎn)的坐標(biāo)，σ為去除 函數(shù)的束徑參數(shù)，vF為峰值去除函數(shù)；
[0021] 2. 6)構(gòu)造式（2)所示待加工曲面光學(xué)零件的動態(tài)去除函數(shù)的非線性模型；
[0023] 式（2)中，Rd(X，Y)為離子束在各駐留點(diǎn)（X' 1>y',)時的動態(tài)去除函數(shù)， (X，Y，Z)為工件坐標(biāo)系中被加工點(diǎn)的坐標(biāo)，Z為待加工曲面光學(xué)零件的幾何曲面方程， (? i，太k)為工件坐標(biāo)系中駐留點(diǎn)的坐標(biāo)；σ為待加工點(diǎn)處的去除函數(shù)束徑參數(shù)，
為駐留點(diǎn)Ρ處離子束入射方向的單位 矢量；VF為峰值去除函數(shù)。
[0024] 優(yōu)選地，所述式（1)和式（2)中去除函數(shù)的束徑參數(shù)〇的計算表達(dá)式如式⑶所 示；
[0026] 式（3)中，〇為待加工點(diǎn)處的去除函數(shù)束徑參數(shù)，〇 駐留點(diǎn)Ρ處對應(yīng)的去除函 數(shù)參數(shù)，Η為待加工點(diǎn)與駐留點(diǎn)處祀距的差值，γ為離子擴(kuò)散角。
[0027] 優(yōu)選地，所述式（1)和式（2)中峰值去除函數(shù)1的計算表達(dá)式如式（4)所示；
[0029] 式（4)中，VP為設(shè)定離子束在各駐留點(diǎn)處對應(yīng)的峰值去除速率，Θ為離子束駐留 在任一點(diǎn)i，太i)時與各待加工點(diǎn)對應(yīng)的入射角，P為高斯分布參數(shù)包括能 量沉積的平均深度，α為沿離子入射方向的能量沉積寬度，β為垂直于離子入射方向的能 量沉積寬度。
[0030] 優(yōu)選地，所述待加工點(diǎn)處的去除函數(shù)束徑參數(shù)σ為待加工點(diǎn)處的去除函數(shù)束徑 的六分之一，所述駐留點(diǎn)Ρ處對應(yīng)的去除函數(shù)參數(shù)σ ρ為駐留點(diǎn)Ρ處對應(yīng)的去除函數(shù)束徑 的六分之一。
[0031 ] 優(yōu)選地，所述步驟2. 1)的詳細(xì)步驟包括：
[0032] 2. 1. 1)根據(jù)所述基本去除函數(shù)中各加工點(diǎn)處的去除函數(shù)束徑和靶距，采用式（5) 所示直線擬合方式進(jìn)行擬合得到擬合直線斜率Κ ;
[0033] d = KH+b (5)
[0034] 式（5)中，d為去除函數(shù)束徑，Η為靶距，b為常數(shù)；
[0035] 2. 1. 2)根據(jù)式（6)所示函數(shù)表達(dá)式計算得到離子擴(kuò)散角γ ;
[0036] γ = arctan (3K