專利名稱：確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的方法
技術領域：
本發明涉及一種確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的方法，屬于光學加工與測試領域。
背景技術：
在精密光學系統中光學元件的中高頻誤差對元件的質量影響越來越受到關注，需要對元件表面的頻率進行評價和限制。不同的工藝參數設定對鏡面頻譜分布的影響差別很大。研究加工中各種工藝參數對鏡面表面的誤差頻率的影響可以為進一步完善大口徑非球面鏡面加工工藝提供理論基礎。
目前國內外研究光學元件的加工技術主要集中在以峰谷值和均方根值兩項指標為導向提高相應加工技術的誤差收斂能力上，從元件制造誤差的垂直量角度來考慮如何提高光學元件的加工質量，對于如何控制水平方向加工誤差，即如何確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的關系尚屬空白。
美國勞倫斯·利夫摩爾國家實驗室在“國家點火裝置(National lgnitionFacility-NIF)”的研制過程中，根據光學元件的口徑、自適應光學校正技術和空間濾波器的設計原則，按照空間頻率的不同將光學元件的制造誤差具體分為高、中、低三段。他們提出了評價光學元件表面質量和制造誤差的新方法，即用波前功率譜密度來確定不同頻段誤差的含量，但未提出如何確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的關系。
波前功率譜密度是一種描述波前信息的新方法，它與以往各種表面評價參數相比最大的優點在于功率譜密度可以綜合評價表面起伏的垂直量和水平量，并體現兩者間的關系，因此采用波前功率譜密度作為指標來評價加工后的光學元件的表面頻率分布，進而分析加工工具性能、形狀及其運動方式對元件表面的頻率分布的影響是可行的。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性關系的方法，該方法通過一維功率譜密度比值及功率譜密度累計增幅作為評價指標，確定工藝參數同頻譜分布特性的關系，為從頻域角度考慮光學元件的加工提供工藝參數設計的依據。
本發明的技術解決方案確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的方法，其特征在于通過以下步驟完成(1)記錄光學元件加工的工藝參數，包含加工工具的性能、形狀及運動方式，并對元件進行加工；(2)通過光學元件制造誤差檢測裝置(如三坐標儀、干涉儀、哈特曼等)采用通用檢測方式獲得被檢光學元件的制造誤差數據；(3)利用最小二乘法對元件制造誤差數據消除趨勢項，根據濾波器設計原則設計濾波器對前述數據做剔除噪聲、濾波等數據預處理工作；(4)確定所測數據的最大空間頻譜范圍與有效空間頻譜范圍，最大空間頻譜范圍1/L＜f＜N/(2L)有效空間頻率寬度2/L＜f＜N/(4L)式中L為采樣長度，N為有效采樣點數；由加工的工藝參數及所測數據的頻譜范圍確定各參數可能導致的頻譜變化區間及主要影響區間，并考慮該頻譜信息是否包含在所測數據中；(5)對預處理后的數據作波前功率譜密度計算，獲取被檢元件的一維功率譜密度函數PSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N為采樣間隔，L為采樣長度，N為有效采樣點數；z(n)為光學元件的制造誤差數據；fm＝m/(N·Δx)為空間頻率，-N/2≤m≤N/2；
(6)計算功率譜密度比值；將第一次測得的光學元件制造誤差數據的功率譜密度記為PSD1，第二次的記為PSD2，依此類推，將第N次的記為PSDN，n＝2，3，...，N。記Rn=PSDnPSDl]]>Rn為功率譜密度比值；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn為功率譜密度累計增幅；(7)將步驟(6)所得功率譜密度比值及累計增幅初步確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的關系；(8)改變相應工藝參數，重復上述步驟，直到確定相應工藝參數與元件頻譜分布特性的關系。
本發明與現有技術相比的優點在于本發明提供了從頻譜角度來考慮光學加工中工藝參數設定與工件表面頻譜分布特性的解決方法，適用于解決數控高精度光學元件制造誤差的頻譜誤差加工的問題。
圖1為本發明實施例1針對檢測口徑＝670mm非球面鏡檢測所得樣品制造誤差分布圖，數據為利用三坐標儀測得的光學元件在細磨階段第一次測量的面形誤差數據；圖2為本發明實施例1中第一次測量的數據的功率譜密度圖；圖3為本發明實施例1的六次測量數據的功率譜密度比值圖；圖4為本發明實施例1的六次測量數據的功率譜密度累計增幅圖。
具體實施例方式
實施例1，通過本發明的方法加工口徑＝670mm非球面鏡時確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的分析過程①對口徑為＝670mm，材料為微晶光學玻璃的一塊圓形光學元件進行加工，此時元件處于細磨階段。對該光學元件采取的加工方式為小磨具口徑為＝50mm，材料為H62，運動步進為7mm，偏擺為6mm，磨具從工件中心向工件外緣勻速運動，做全口徑平滑加工；②利用三坐標儀檢測該元件，利用三坐標儀檢測時，沿徑向的采樣長度為L＝250mm，采樣點數為N＝51點，沿徑向等間隔測m(m≥20)條數據。檢測前在光學元件上做好標記，以保證每次檢測時測量的是光學元件的同一位置。該元件的面形誤差數據如圖1所示；③利用最小二乘法對元件制造誤差數據消除趨勢項，根據濾波器設計原則設計濾波器對前述數據做剔除噪聲、濾波等數據預處理工作；④確定所測數據的最大空間頻譜范圍與有效空間頻譜范圍；最大空間頻譜范圍1/L＜f＜N/(2L) 0.004mm-1＜f＜0.102mm-1有效空間頻率寬度2/L＜f＜N/(4L) 0.008mm-1＜f＜0.051mm-1式中L為采樣長度，N為有效采樣點數；磨具口徑為＝50mm，可能影響的頻率范圍f≥1/50mm-1，磨盤沿徑向從工件中心向工件外緣勻速運動，做全口徑平滑加工，行程200mm，可能影響的空間頻率f≥1/200mm-1；磨盤運動步進為7mm，偏擺為6mm，可能影響的頻率范圍超出測量數據所能提供的信息，排除其對此次數據的影響；⑤對預處理后的數據作波前功率譜密度計算，獲取被檢元件的一維功率譜密度函數；PSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N為采樣間隔，L為采樣長度，N為有效采樣點數；z(n)為光學元件的制造誤差數據；fm＝m/(N·Δx)為空間頻率，-N/2≤m≤N/2；計算m條數據線的功率譜密度值并平均處理，獲得被檢光學元件的徑向一維平均功率譜密度，代表整個元件表面的質量，結果如圖2所示；
⑥計算功率譜密度比值將第一次測得的光學元件制造誤差數據的功率譜密度記為PSD1，第二次的記為PSD2，依此類推，將第N次的記為PSDN，n＝2，3，...，N。記Rn=PSDnPSD1]]>Rn為功率譜密度比值，計算結果如圖3所示；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn為功率譜密度累計增幅，計算結果如圖4所示；⑦由上一步所得功率譜密度比值初步確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的關系，如圖3，圖4中第2、3、4、5四條曲線所示，對應各頻率的成分均呈增長趨勢，有效頻率范圍內，f＝1/100mm-1附近譜線表現最強，由步驟4中的分析可知，導致這種情況的最大原因應為磨盤沿徑向從工件中心向工件外緣勻速運動，做全口徑平滑加工這種運動方式；⑧由加工的工藝參數(包含加工工具的性能、形狀及運動方式，被加工件的運動方式)確定各參數可能導致的頻譜變化區間及主要影響區間，確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的關系。
改變磨盤運動方式，增加了磨具沿工件徑向的短周期運動，重復以上步驟，在圖3中第6條曲線可見，f＝1/100mm-1附近的譜線受到了明顯的抑制作用。
權利要求
1.確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的方法，其特征在于通過以下步驟完成(1)記錄光學元件加工的工藝參數，包含加工工具的性能、形狀及運動方式，并對元件進行加工；(2)通過光學元件制造誤差檢測裝置采用通用檢測方式獲得被檢光學元件的制造誤差數據；(3)利用最小二乘法對元件制造誤差數據消除趨勢項，根據濾波器設計原則設計濾波器，并對前述數據做剔除噪聲、濾波等數據預處理工作；(4)確定所測數據的最大空間頻譜范圍與有效空間頻譜范圍，最大空間頻譜范圍1/L＜f＜N/(2L)，有效空間頻率寬度2/L＜f＜N/(4L)；式中L為采樣長度，N為有效采樣點數；由加工的工藝參數及所測數據的頻譜范圍確定各參數可能導致的頻譜變化區間及主要影響區間，并考慮該頻譜信息是否包含在所測數據中；(5)對預處理后的數據作波前功率譜密度計算，獲取被檢元件的一維功率譜密度函數PSDPSD(m)=ΔxN|Σn=0N-1z(n)exp(-i2πfmnΔx)|2]]>式中Δx＝L/N為采樣間隔，L為采樣長度，N為有效采樣點數；z(n)為光學元件的制造誤差數據；fm＝m/(N·Δx)為空間頻率，-N/2≤m≤N/2；(6)計算功率譜密度比值；將第一次測得的光學元件制造誤差數據的功率譜密度記為PSD1，第二次的記為PSD2，依此類推，將第N次的記為PSDN，n＝2，3，...，N，記Rn=PSDnPSD1]]>Rn為功率譜密度比值；Sn=Σn=2NPSDn-PSDn-1]]>Sn為功率譜密度累計增幅；(7)將步驟(6)所得功率譜密度比值及累計增幅初步確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的關系；(8)改變相應工藝參數，重復上述步驟，直到確定相應工藝參數與元件頻譜分布特性的關系。
全文摘要
確定工藝參數與工件表面頻譜分布特性的方法，涉及一種從空間頻譜角度分析光學元件制造誤差，尤其是表面面形中高頻誤差與工藝參數的定性定量關系，利用信息處理技術對測試儀器所獲取的光學元件的制造誤差數據進行處理，采取一維功率譜密度比值作為評價指標確定工藝參數同頻譜分布特性的關系。本發明通過對工藝參數與工件表面頻譜分布特性的定性定量研究，提供了一條光學元件面形加工中工藝參數確定的新方法，對高質量光學元件的加工具有重要的應用價值。
文檔編號G02B27/00GK1936646SQ20061011371
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月13日 優先權日2006年10月13日
發明者陳偉, 姚漢民, 伍凡, 萬勇建, 范斌, 朋漢林 申請人:中國科學院光電技術研究所