计算机控制光学表面成形驻留时间算法研究

光学非球面的使用可以提高光学系统的性能、简化系统结构、减小系统体积,减轻系统重量,计算机控制光学表面成形（ＣＣＯＳ）方法是加工光学非球面的重要方法。介绍了ＣＣＯＳ原理,给出了ＣＣＯＳ中关键技术驻留时间计算的三种算法———基于加工仿真的算法、基于傅立叶变换的算法和基于滑动平均与傅立叶变换的算法。基于加工仿真的驻留时间算法需要做大量的卷积计算,计算时间较长,残余误差较大;基于傅立叶变换的驻留时间算法与基于滑动平均和傅立叶变换的驻留时间算法计算时间短,计算后的残余误差小。磨头单位去除函数形状与磨头大小对误差的去除也有明显的影响,小的磨头和陡峭的单位去除函数对于去除局部误差更为有利,但是加工时间较长     

等离子体光学加工关键技术研究现状

等离子体加工技术是近年来发展起来的先进光学制造技术,具有快速缓解或去除传统光学加工方法导致的表面/亚表面损伤,以及高效、高精度和高分辨率修整光学面形的优势。从等离子体光学加工基本原理出发,基于等离子体激发频率与特征对发生器进行了简要叙述;进一步对各研究机构在等离子体加工技术涉及的射流特性、界面物化反应、损伤去除机理、去除函数、加工热效应和工艺定位等关键技术研究内容及成果进行分析,并对等离子体的新型光学加工技术进行介绍。随着研究的不断深入,构建多物理场和化学反应综合作用下的等离子体加工模型,揭示表面等离子体特性分布与去除函数的内在联系,从而建立准确的去除函数模型,是提高修形精度的发展方向,研究热效应控制方法和补偿策略在降低由热效应带来的修形误差方面起到了重要作用。     

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。     

应用离子束进行光学镜面确定性修形的实现

为了克服传统光学镜面抛光方法的缺点,提出了应用离子束进行光学镜面修形的方法.介绍了离子束修形技术的原理和方法,并对离子束修形中涉及的关键技术进行了讨论.在自研的离子束修形设备上对一块直径φ98 mm的微晶玻璃平面样件进行了离子束修形试验,经过两次的迭代修形使其面形精度均方根误差由初始的0.136λ提高到0.010λ(λ=632.8nm),平均每次迭代的面形收敛率达到3.7.实验结果表明,应用离子束进行光学镜面修形无边缘效应、面形收敛快、加工精度高;由于离子束修形技术去除材料过程自身的特点,使数控离子束修形技术对非球面的加工和对平面的加工难度相当.     

大口径光学元件磁流变加工驻留时间求解算法

为了解决大口径光学元件磁流变高精度加工问题,基于矩阵运算模型,提出了SBB(Subspace Barzilai and Borwein)最小非负二乘与自适应Tikhonov正则化相结合的驻留时间快速求解方法。同时,在一次收敛中采用双去除函数优化螺旋线轨迹下光学元件的加工,保证中心区域与全口径面形精度一致。仿真表明该算法与常用Lawson-Hanson最小非负二乘法相比,计算精度一致且求解效率大幅提高。对Φ600mm以彗差为主的光学表面模拟加工,峰谷(PV)值和均方根(RMS)值从初始的2.712λ与0.461λ中心区域全局一致收敛到0.306λ和0.0199λ(λ=632.8nm)。因此,提出的算法能够在有效保证面形收敛精度的同时快速获得稳定可靠的驻留时间分布,为磁流变抛光应用于大口径光学元件提供有力支持。     

超光滑加工技术中光学元件表面材料的均匀去除

超光滑加工通常是在保证光学元件面型精度不劣化前提下提升其中高频精度.均匀去除是保证超光滑加工过程中光学元件面型精度不劣化的重要途径.本文以四轴三联动小磨头超光滑加工机床为基础,结合Preston假设,研究了四轴三联动超光滑加工机床对光学元件的材料去除特性,发现当机床取某些特定的参量时,通过等值的驻留时间规划即可实现光学元件表面材料的均匀去除.最后,对这些特定的参量进行了对比实验.实验结果验证了理论分析的正确性.     

超光滑加工技术中光学元件表面材料的均匀去除

超光滑加工通常是在保证光学元件面型精度不劣化前提下提升其中高频精度.均匀去除是保证超光滑加工过程中光学元件面型精度不劣化的重要途径.本文以四轴三联动小磨头超光滑加工机床为基础,结合Preston假设,研究了四轴三联动超光滑加工机床对光学元件的材料去除特性,发现当机床取某些特定的参量时,通过等值的驻留时间规划即可实现光学元件表面材料的均匀去除.最后,对这些特定的参量进行了对比实验,实验结果验证了理论分析的正确性,     

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。     

应用离子束修正大面形误差光学元件

为了获得超高精度面形的光学元件并验证离子束的修正能力,对应用离子束修正大面形误差光学元件的问题进行了实验研究。通过改变离子源光阑尺寸的方式获得了不同束径的离子束去除函数,并对一直径为101mm、初始面形峰谷(PV)值为417.554nm、均方根(RMS)值为104.743nm的熔石英平面镜进行了离子束修形实验。利用10、5、2mm光阑离子源的组合,进行了12次迭代修形,最终获得了PV值为10.843nm、RMS值为0.872nm的超高精度表面。实验结果表明,应用离子束可以对大面形误差光学元件进行修正,并且利用更大和更小束径离子束去除函数的组合进行优化,可以进一步提升加工效率和精度。     

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。     

基于驻留时间补偿的抛光误差控制方法

针对计算机控制光学表面成形中光学表面存在中高频误差的问题,提出了一种基于驻留时间补偿的有效控制方法。分析了抛光误差的形成机理和影响因素,对系统的误差影响因素进行分类和定量描述,构建了抛光过程中磨损影响因子、浓度变化影响因子和系统影响因子。基于各影响因素的影响因子对抛光驻留时间的求解函数进行了修正,提出采用离散最小二乘法对修正的函数求解驻留时间。研究表明：这种补偿方法能提高计算机控制光学表面成形技术中加工模型的精度,减小光学表面的残余误差。     

基于驻留时间补偿的抛光误差控制方法

 针对计算机控制光学表面成形中光学表面存在中高频误差的问题,提出了一种基于驻留时间补偿的有效控制方法。分析了抛光误差的形成机理和影响因素,对系统的误差影响因素进行分类和定量描述,构建了抛光过程中磨损影响因子、浓度变化影响因子和系统影响因子。基于各影响因素的影响因子对抛光驻留时间的求解函数进行了修正,提出采用离散最小二乘法对修正的函数求解驻留时间。研究表明：这种补偿方法能提高计算机控制光学表面成形技术中加工模型的精度,减小光学表面的残余误差。     

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。     

离子束抛光工艺中驻留时间的综合算法

 在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。通常求解驻留时间的时候,是用理想的高斯函数来近似实际的加工函数。如果使用实际的加工函数仿真加工,加工的效果不好。运用系数法和消去法的综合算法来提高采用实际加工函数仿真加工镜面面型的精度,首先多次用系数法得到比较理想且平滑的镜面面型,然后再用消去法精修面型。这种算法运算速度快,得到的面型精度高且较平滑。对这种综合算法进行仿真分析,比较了理想高斯函数与实际加工函数加工后的差别,同时比较了运用消去算法与综合算法得到的镜面面型,PV值由83.63 nm减小到46.92 nm,镜面精度提高了很多。     

一种新型非球面数控抛光方法的研究

介绍了一种新型的非球面抛光方法———进动抛光,这种方法有着其它方法所不具备的优点———抛光头与非球面很好的接触,因而使仿真结果与实际更接近。对进动抛光原理进行了详细的论述,用数学建模的方法计算了非球面抛光过程中的非球面度、去除函数及驻留函数,通过计算机模拟出了相应的特性曲线。     

数控抛光技术中抛光盘的去除函数

抛光盘去除函数的确定是数控抛光技术的应用基础,以Ｐｒｅｓｔｏｎ 方程为基础,应用运动学原理推导了抛光盘在行星运动及平转动两种运动方式下的材料去除函数,并通过计算机模拟出相应的工作特性曲线。结果表明,两种运动方式下工作特性曲线均在不同程度上趋近于高斯曲线。因而行星运动及平转动都可作为抛光盘的运动方式应用在ＣＣＯＰ技术中,使加工中的面形误差得到收敛。     

平面元件数控加工技术研究

利用从俄罗斯引进的ＡＤ １０００ 数控研磨抛光机对Φ３３０ｍｍ ×３５ｍ ｍ 、２３０ｍ ｍ ×２３０ｍ ｍ ×４０ｍ ｍ 两块Ｋ９材料平面光学元件进行计算机控制抛光工艺研究。通过工艺研究全面熟悉了设备的技术特性和工艺软件特性,验证了ＡＤ １０００ 数控研磨抛光机在加工高精度光学元件基板方面Ｐ Ｖ、ＲＭＳ值收敛效果明显,较传统加工方法在效率上有极大提高。     

具有公自转运动模式的高效轮式抛光工具设计

为了提高光学加工效率,缩短大口径光学元件制造周期,本文提出了一种具有公自转运动模式的新型高效抛光方式,对其结构、工作原理以及去除特性进行了研究。首先,介绍了公自转抛光装置机械结构及工作原理。接着,根据Hertz接触理论和Preston方程进行了去除函数建模,讨论了不同转速比情况下的去除函数形状。然后,根据理论模型进行了去除函数实验、工艺参数实验以及稳定性实验,研究了压入深度、转速等工艺参数对去除结果的影响。最后,进行了200 mm口径SiC工件的仿真加工。实验结果表明:在2 mm压入深度、200 rpm转速情况下,去除区域直径为19.23 mm,体去除率达到0.197 mm~3/min,去除效率高于同等去除区域大小的传统小磨头加工方式;仿真加工结果表明:SiC仿真镜经过3.7 h加工,面形从3.008λPV,0.553λRMS提高到0.065λPV,0.005λRMS,收敛效率为达到98.18%。