计算机控制光学表面成形中大规模驻留时间求解

采用基于稀疏矩阵的大规模非负最小二乘法,对大口径、微浮雕结构光学元件加工中的驻留时间进行了分析与求解,并对该算法开展了正则化研究。仿真结果表明:与传统非负最小二乘法相比,基于稀疏矩阵的大规模非负最小二乘法精度高、效率快。采用该算法仿真加工平均振幅为1.177 6倍波长的大口径、微浮雕结构光学元件,误差面形均方根收敛至0.067倍波长。     

光学元件离子束加工驻留时间优化求解

为了实现光学元件的高精度加工,对离子束加工过程中关键的驻留时间求解算法进行了研究。通过分析离子束加工过程的基本原理,将传统的驻留时间反卷积求解过程转化为求解矩阵方程过程。在将正则化加权因子引入矩阵方程的基础上,又引入额外加工余量这一新的参量,增加了解的自由度,从而扩大了驻留时间解的搜索范围,同时将Gerchberg带限外插算法应用于初始面形的优化延拓中,保证了全孔径范围内面形精度一致。实例计算50mm的平面光学元件表明,面形精度从初始的均方根值为0.5747λ,峰谷值为2.3706λ(λ=632.8nm)收敛到全孔径范围内的均方根值为0.001λ,峰谷值为0.0115λ。由此可见该优化求解过程可有效地求解出驻留时间,为离子束加工过程提供了有力的保障。     

基于最优化思想的磁流变抛光驻留时间算法

基于最优化思想研究磁流变抛光驻留时间算法。将驻留时间反卷积运算变换成矩阵运算,以实际加工要求为约束条件,建立关于驻留时间的最优化数学模型,利用最小二乘逼近和最佳一致逼近数学解法器对优化模型进行数值求解。仿真结果显示:该算法收敛幅度大,计算效率较高,所求解满足数控加工要求。在自行研制的磁流变抛光机床上进行抛光实验,对有效口径为50 mm的圆形平面工件,经过4.7min抛光,PV值从0.191λ降至0.087λ,收敛54.5%,RMS值从0.041λ降至0.010λ,收敛75.6%。     

大口径光学元件磁流变抛光工艺软件设计

 基于磁流变抛光机理,采用简森-范锡图特法求解驻留时间函数以确定磁流变抛光工艺软件的核心算法设计,开展工艺软件全过程模块化、流程化设计,进行功能模块测试。软件开发过程中兼顾各功能模块间关系耦合,并完成工艺软件的代码集成测试。开展500 mm口径的微晶平面反射镜的验证实验,结果表明元件面形值获得快速有效收敛。证实了所设计的工艺软件能够精准地指导大口径光学元件的磁流变加工。     

离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解

针对光学元件高精度确定性加工,提出并实现了基于自适应步长算法实现离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解。首先,对常规的等步长算法实现抛光轨迹段划分所存在的诸多问题进行了重点分析。其次,针对这些问题,提出了等效驻留时间轮廓计算方法及自适应步长算法,有效地避免了等步长法所存在的问题。然后,采用新算法对f600 mm平面反射元件进行了实例计算,经加工后,元件98%口径内的面形精度峰谷（PV）值由110.22 nm（/5.7,=632.8 nm）收敛至4.81 nm（/131.6）。最后,基于自研的离子束抛光设备,实现了光学元件在100 mm口径内面形PV值小/70的超高面形精度。     

计算机控制光学加工技术仿真研究

为实现高精度光学元件的面形修正,介绍了计算机控制光学加工技术的基本理论,通过实验法对其去除函数进行了提取,采用迭代法对驻留时间进行了求解,并采用邻域平均值法对边缘数据进行了平滑延拓。以一口径φ100mm的光学元件面形为例进行了模拟加工,得到了其驻留时间分布和加工后面形,加工1843.3min后其面形由初始的PV值243.132nm、rms值53.154nm降为PV值21nm、rms值1.6nm,面形精度改善明显。结果表明:所得去除函数可以用于高精度面形修正,但加工效率仍需提高,所用驻留时间求解方法精度较高,并且经平滑延拓后边缘效应得到有效控制,为后续的实际高精度面形修正提供了理论依据。     

采用非均匀有理B样条曲面延展光学元件面形误差

在离子束抛光工艺中,为了提高驻留时间求解算法在工件边缘处的求解精度,通常需要对原始面形误差数据进行边缘虚拟延展。要求原始面形误差数据与虚拟延展面光滑拼接,并在延展区域具有可控的不确定性。非均匀有理B样条(NURBS)曲面常用在机械制造领域对复杂形状物体进行三维建模。引入非均匀有理B样条曲面并结合泽尼克(Zernike)多项式拟合对一典型的圆形光学元件面形误差自由曲面数据进行延展。通过对典型面形误差曲面延展前后的等效功率谱密度曲线分析可以看出,延展后在面形误差频率大于0.05mm-1时其面形误差改善量均大于70%;将该典型延展面应用于特定驻留时间求解算法中,使得预测加工精度的均方根值由1.18nm改善至0.19nm。这表明,采用非均匀有理B样条曲面延展光学元件面形误差能够获得光滑拼接的虚拟延展曲面,并能大大改善离子束抛光工艺中驻留时间算法的求解精度。     

光学镜面磁流变确定性修形的实现

磁流变确定性修形具有高精度、高效率、高表面质量以及近零亚表面损伤的特点。介绍了磁流变修形技术的基本原理和方法,并对磁流变修形中涉及的关键技术进行了讨论。在自研的磁流变修形设备上采用水基磁流变抛光液对一块直径80mm的K9玻璃平面进行了磁流变修形实验。经过一次迭代修形(4.39min)使其面形精度峰谷(PV)误差由初始的0.144λ改善到0.06λ(λ=632.8nm),均方根(RMS)误差由初始的0.031λ改善到0.01λ,面形收敛率达到2.81,表面粗糙度RMS值达到0.345nm。实验结果表明,采用磁流变进行光学表面修形,面形收敛快,面形精度高,表面质量好,可广泛应用于高精度光学镜面加工。     

大口径非球面元件磁流变加工稳定性研究

重点分析了非球面元件磁流变加工的动态稳定性影响因素。设计了非球面元件的自动装调定位系统,提高了装调精度。采用一种拟合光栅式加工的新方法来验证其效果,通过测量元件表面形成的直线沟壑深度、宽度波动比例来评价去除的动态稳定性。在400 mm×400 mm口径的方形非球面元件上进行面形收敛验证实验,波长λ为632.8 nm时,加工后的透射波前误差PV值达到0.331λ,低频透射波前梯度误差GRMS值达到了0.008λ/cm。     

计算机控制光学抛光驻留时间求解中两类优化算法的分析

建立了基于矩阵计算的驻留时间计算模型,根据实际加工要求建立了最小二乘和最佳一致逼近最优化求解数学模型,总结了两类优化问题的求解方法。根据自研数学解法器,利用数值计算分析了这两类算法的计算特点。仿真结果显示,两种自研算法具有较高的计算精度,最小二乘逼近算法计算效率有待提高,对外界扰动和计算模型等误差不敏感,最佳一致逼近算法计算效率较高,但对误差比较敏感。实际加工时,如果面形精度已经比较高时,建议多采用最小二乘逼近算法。     

大口径碳化硅反射镜数控抛光工艺北大核心CSCD

研究了针对600mm口径方形轻质碳化硅元件的数控抛光工艺过程,采用国产OP1000数控研磨抛光机床对一块600mm×480mm的方形碳化硅元件进行数控抛光加工。在经过两周的加工时间,碳化硅光学元件的通光口径均方根(RMS)值收敛到了35nm(大约为λ/18,λ=632.8nm)。在加工过程中针对大口径椭圆形碳化硅反射镜采用了合适的加工参数优化,例如在加工过程中的不同阶段选择了不同颗粒度的金刚石微粉作为特定阶段的抛光辅料以保证光学元件的表面粗糙度。对计算机控制数控加工技术的快速收敛过程也进行了阐释。     

中小口径双非球面数控抛光技术研究

针对口径Φ62 mm双凸非球面透镜,进行了数控研磨和抛光技术研究.提出了规范性的加工工艺流程,实现了中小口径双非球面元件的高效、快速抛光.根据计算机控制光学表面成型技术,采用全口径抛光和小抛头修抛的两步抛光法,在抛光中对其面形误差进行多次反馈补偿,使被加工零件表面的面形精度逐步收敛.最终两面的面形精度均小于0.5 μm,中心偏差小于0.01 mm,满足了光学系统中对非球面元件的精度要求,并且在保证有较高面形精度和较好表面光洁度的同时,解决了双非球面中心偏差和中心厚度难以控制的加工技术难题.     

驻留时间参数优化分析

驻留时间的求解是计算机控制光学表面成形(CCOS)中形的收敛速度和面形精度.提出以面形精度和收敛速度两者加权综合最优的原则,对求解驻留时间的去除系数进行优化,得出其优化式,并对优化式中影响两者权重的系数β进行仿真分析,结果表明口取值[0.1,0.3]时能使驻留时间达到最优.     

3mm厚大口径超薄元件双面抛光工艺北大核心CSCD

基于环摆双面抛光技术,研究了3mm厚大口径超薄元件的双面抛光加工工艺。通过对双面抛光原理的分析,对转速比、抛光垫面形、抛光液等工艺参数上作了优化,并通过加工模拟进行验证。通过工件环分离器减薄技术解决了3mm厚超薄元件的装夹问题。在SYP152双面主动抛光机上进行了加工工艺实验,通过调节转速比实现3mm厚大口径超薄元件面形的高效收敛,验证了加工的可行性,并且达到了面形精度优于1.5λ(λ=632.8nm)、表面粗糙度优于1nm的技术水平。     

碳化硅基底改性硅表面的磁流变抛光

为克服传统抛光方法在硅改性的碳化硅表面抛光存在的不足,采用磁流变抛光在精抛光阶段实现面形误差高效去除和快速收敛。基于实际应用中的对磁流变抛光液的需求,提出了磁流变液的性能要求,并配制了适合改性硅表面抛光的磁流变抛光液,检测所配制的抛光液体的流变特性和分散稳定性,证明了液体具有良好的性能。对口径为130 mm(有效口径为120 mm)的硅改性的同轴非球面碳化硅工件进行实际抛光。经过两个周期约3 h的抛光,面形误差均方根(RMS)从0.051λ(λ=632.8 nm)快速收敛至0.012λ,粗糙度Ra达0.618 nm。验证了所配制的磁流变抛光液满足碳化硅基底改性硅表面的抛光需求,证明了磁流变抛光技术在镜面硅改性后精抛光阶段具有独特的优势。     

碳化硅基底改性硅表面的磁流变抛光EI北大核心CSCD

为克服传统抛光方法在硅改性的碳化硅表面抛光存在的不足,采用磁流变抛光在精抛光阶段实现面形误差高效去除和快速收敛。基于实际应用中的对磁流变抛光液的需求,提出了磁流变液的性能要求,并配制了适合改性硅表面抛光的磁流变抛光液,检测所配制的抛光液体的流变特性和分散稳定性,证明了液体具有良好的性能。对口径为130 mm(有效口径为120 mm)的硅改性的同轴非球面碳化硅工件进行实际抛光。经过两个周期约3 h的抛光,面形误差均方根(RMS)从0.051λ(λ=632.8 nm)快速收敛至0.012λ,粗糙度Ra达0.618 nm。验证了所配制的磁流变抛光液满足碳化硅基底改性硅表面的抛光需求,证明了磁流变抛光技术在镜面硅改性后精抛光阶段具有独特的优势。     

非球面元件精密铣磨加工技术研究

通过对Φ42 mm和Φ82 mm口径非球面光学零件精密铣磨成型过程的加工特点和加工误差因素的分析,在工艺中引入刀具与工件变形、刀具半径误差等因素,结合经典Hertz接触理论建立了刀具与工件变形量及刀具半径误差和补偿理论模型,并且应用在精密铣磨成型过程中,通过实验,Φ42 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.91μm,RMS值达到0.288μm;Φ82 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.60μm,RMS值达到0.385μm,完全满足加工精度要求,加工时间节省了50%以上。实验验证了理论分析及误差补偿方法的正确性,实现了精密光学非球面元件的快速精密铣磨成型加工。     

基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术

 为解决强激光系统中大口径光学元件抛光面形精度收敛困难的问题,提出了一种基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术。利用独特的抛光垫修整技术,将抛光垫表面修整成特定形状,使工件与抛光垫的接触面产生不均匀的压力分布,并结合精确的抛光转速控制,以加快工件面形精度的收敛速度。实验结果表明,将抛光垫修整成微凸面形,可以有效避免抛光中元件过早塌边问题,能将大口径平面元件的初抛时间从数天缩短到6 h以内,元件面形精度提高到1个波长左右。     

长条形镜面面形拟合技术研究

为了解决长条形镜面面形拟合中各项不正交,无法在调整中利用像差指导计算机辅助装调的问题,本文建立了一套合理的拟合模型。该模型以矩阵求解正交化Zernike多项式系数为基础,将离散的数据点作为定义域,对已选取的Zernike项进行定义域内正交化计算,并以获得的各正交项为基底,实现对长条形镜面及其他异形光学镜面的正交化多项式拟合求解。进而确定在干涉检测中加工误差与装调误差的分离,为光学镜面的最终面形收敛提供保障。根据本文实验结果,对一口径600 mm×260 mm,PV与RMS值分别为5. 889λ及1. 002λ的长条形光学镜面进行拟合,利用Metropro去像散后,面形未得到收敛,PV与RMS值分别变为7. 448λ及1. 725λ。而采用本文算法处理后,其PV与RMS值分别收敛为4. 666λ及0. 679λ,验证了本文方法对于长条形镜面拟合的正确性。     

拼接干涉仪在控制装校面形中的应用

通过对比大口径光学元件夹持不当时全口径与局部口径之间的图像关系,研究局部面形控制的新方式。并与高精度的大口径干涉仪进行比对测试,验证拼接干涉仪的测试精度。实验表明,拼接干涉仪局部测试精度可达50 nm(PV值).空间分辨力高达5 mm~(-1),可以实现中频段的装校临控。使用拼接干涉仪扫描测试全口径面形,测试不确定度小于100nm.与φ600 mm的大口径干涉仪测试结果差别小于0.04λ(波长λ=632.8 nm)。