基于非線性建模的納米精度光學曲面離子束加工方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學元件加工技術，具體涉及一種基于非線性建模的納米精度光學曲 面離子束加工方法。
【背景技術】
[0002] 隨著裝備性能需求的不斷提升，現代光學系統(tǒng)對光學零件制造精度的要求越來越 苛刻，例如空間X射線光學元件和極紫外光刻物鏡，通常需要表面的面形精度達到納米甚 至亞納米精度，對光學制造技術提出了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光學加工方法在加工精度和加工 效率等方面已經無法滿足需求，由此需要發(fā)展新型的確定性光學加工技術。
[0003] 離子束拋光技術利用離子濺射效應對材料進行去除，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，克服了傳統(tǒng)拋光加工過程中的邊緣效應、刀具磨損和壓力負載等缺點，具有較 高的加工收斂率，通常都作為高精度光學零件加工的最后一道工序。最典型的應用就是光 刻物鏡制造，其光學零件的面形精度和光滑度都需要亞納米量級，充分體現了離子束的拋 光能力。為了滿足高精度曲面光學零件加工的需求，許多研究機構都研制了自己的離子束 拋光設備。其中日本Cannon公司、德國NTGL公司和國防科技大學精密工程實驗室開發(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果，除此之外，德國NTGL公司和國 防科技大學精密工程實驗室還研制了低成本的三軸系統(tǒng)，使用補償加工的方式同樣實現了 曲面光學零件的高精度加工。
[0004] 離子束拋光技術基于CC0S成型原理，其基本思想就是構建材料去除的數學模型， 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控方法實現加 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 可實現性和高效性。當前的CC0S原理指出材料去除量可以表示成去除函數與駐留時間的 二維卷積，并且假定去除函數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，否則會引起實際的材料去除量與 期望的去除量產生偏差。該求解駐留時間的方法，對于加工平面光學鏡面是實用的，不需要 進行相關的處理過程。但是，球面和非球面等曲面光學零件在現代高性能光學系統(tǒng)中占大 多數，對于球面和非球面的光學鏡面而言，三維坐標系下的面形誤差E'（x，y，z)轉換到二 維卷積中誤差表示E(x，y)過程中會產生投影變形問題，同時去除函數在投影面上各駐留 點處也不再具有一致性的特點，此時現有材料去除模型已經不再具有普適性。如果在求解 駐留時間時仍然認為去除函數是不變的話，勢必會影響駐留時間的精確求解，從而導致加 工效率和加工精度的降低。
[0005] 然而，應用于現有曲面光學零件的三軸和五軸加工工藝的材料去除模型通常采用 近似或者補償的加工方法，未能建立確定性拋光的準確修形模型，影響了制造精度和制造 精度的進一步提升。因此，根據曲面光學零件幾何形狀、離子束加工方式和離子束加工參數 等條件建立去除函數的精確模型，并且將其應用于光學零件加工時的駐留時間求解，對于 實現光學零件的高精密高效制造具有重要的實際應用價值。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題：針對現有技術的上述問題，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、實現面形誤差的精 確去除的基于非線性建模的納米精度光學曲面離子束加工方法。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0008] -種基于非線性建模的納米精度光學曲面離子束加工方法，步驟包括：
[0009] 1)獲取待加工曲面光學零件的基本去除函數；
[0010] 2)在基本去除函數的基礎上，根據投影畸變、加工參數、待加工曲面光學零件在內 的工藝條件進行非線性建模構造待加工曲面光學零件的動態(tài)去除函數的非線性模型；
[0011] 3)根據所述動態(tài)去除函數的非線性模型對離子束拋光加工的駐留時間進行精確 求解；
[0012] 4)根據求解得到的駐留時間進行離子束拋光加工。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟2)的詳細步驟包括：
[0014] 2. 1)在基本去除函數的基礎上，計算進行離子束拋光加工的離子擴散角γ ;
[0015] 2. 2)利用離子濺射的分子動力學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，所述高斯分布參數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)對待加工曲面光學零件的面形誤差數據進行網格化得到離散的面形誤差 E(xm，yn)，其中（xm，yn)為待加工點，設定離子束在各駐留點處對應的革Ε距為恒定值Η ρ，計算 進行離子束拋光加工時離子束駐留在任一點（X' i，太J時待加工點所對應的入 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，則跳轉執(zhí)行步驟2. 6);
[0018] 2. 5)構造式⑴所示待加工曲面光學零件的動態(tài)去除函數的非線性模型；
[0020] 式（1)中，Rd(X，Y)為離子束在各駐留點（X' i，太.i)時的動態(tài)去除函數，（X，Y) 為工件坐標系中被加工點的坐標，（X' i>y' j)為工件坐標系中駐留點的坐標，σ為去除 函數的束徑參數，vF為峰值去除函數；
[0021] 2. 6)構造式（2)所示待加工曲面光學零件的動態(tài)去除函數的非線性模型；
[0023] 式（2)中，Rd(X，Y)為離子束在各駐留點（X' 1>y',)時的動態(tài)去除函數， (X，Y，Z)為工件坐標系中被加工點的坐標，Z為待加工曲面光學零件的幾何曲面方程， (? i，太k)為工件坐標系中駐留點的坐標；σ為待加工點處的去除函數束徑參數，
為駐留點Ρ處離子束入射方向的單位 矢量；VF為峰值去除函數。
[0024] 優(yōu)選地，所述式（1)和式（2)中去除函數的束徑參數〇的計算表達式如式⑶所 示；
[0026] 式（3)中，〇為待加工點處的去除函數束徑參數，〇 駐留點Ρ處對應的去除函 數參數，Η為待加工點與駐留點處祀距的差值，γ為離子擴散角。
[0027] 優(yōu)選地，所述式（1)和式（2)中峰值去除函數1的計算表達式如式（4)所示；
[0029] 式（4)中，VP為設定離子束在各駐留點處對應的峰值去除速率，Θ為離子束駐留 在任一點i，太i)時與各待加工點對應的入射角，P為高斯分布參數包括能 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，所述待加工點處的去除函數束徑參數σ為待加工點處的去除函數束徑 的六分之一，所述駐留點Ρ處對應的去除函數參數σ ρ為駐留點Ρ處對應的去除函數束徑 的六分之一。
[0031 ] 優(yōu)選地，所述步驟2. 1)的詳細步驟包括：
[0032] 2. 1. 1)根據所述基本去除函數中各加工點處的去除函數束徑和靶距，采用式（5) 所示直線擬合方式進行擬合得到擬合直線斜率Κ ;
[0033] d = KH+b (5)
[0034] 式（5)中，d為去除函數束徑，Η為靶距，b為常數；
[0035] 2. 1. 2)根據式（6)所示函數表達式計算得到離子擴散角γ ;
[0036] γ = arctan (3K