基于Bayesian原理的低陡度光学镜面面形误差离子束修正驻留时间算法

离子束修形是一种高效修除镜面误差的技术,驻留时间求解算法是此技术的关键问题之一。以光学镜面计算机控制成型原理为基础,建立基于Bayesian原理的平面镜面驻留时间算法,对数据边缘进行Gaussian延拓以消除边缘效应。分析驻留时间近似速度实现方式的实现误差与工艺参数的关系,通过在算法中引入附加光滑修正因子以提高驻留时间实现精度。在适当的路径规划下,将低陡度非球面修形过程近似用平面修形过程线性模型来描述,最终形成低陡度光学镜面面形误差离子束修正中驻留时间的快速近似算法。利用此算法对 100平面镜和 200球面镜进行修形加工,加工收敛率均可达9。研究结果表明：线性化近似模型是合理的,速度近似计算是可行的,基于Bayesian原理的低陡度非球面驻留时间求解算法是一种快速高效面形控制技术,可对镜面进行确定性精确修形。     

小特征尺寸连续位相板离子束修形的误差分析

针对小特征尺寸连续位相板中频段成分分布广、误差梯度大的面形特点,分析了离子束修形技术加工连续位相板过程中影响加工精度的几种因素,包括扫描步距、材料去除方式、定位精度和材料去除量求解。分析指出:根据采样定理确定去除函数的扫描步距可实现对不同尺寸特征单元的有效加工;进一步优化材料去除方式能够确保修形过程中驻留时间的平稳运行,实现全频段误差一致收敛。另外,采用面形匹配方法对测量误差进行校正实验,可获取准确的面形材料去除量;而采用提高去除函数定位精度的方法可显著提升小尺寸特征单元的加工精度。基于研究结果,在消除各种工艺误差的基础上,采用离子束修形技术对特征尺寸小至1.5mm,面形峰谷值小于200nm,面形梯度高至1.8μm/cm的连续位相板进行了高精度加工,结果显示:加工面形与理论面形的匹配精度达到8.1nm(RMS),证实了误差分析的准确性。     

离子束螺旋扫描方式修正光学镜面方法

研究基于螺旋扫描方式的光学镜面离子束修正方法.根据离子束去除函数的特性,将螺旋扫描加工过程简化成线性过程并建立工艺过程模型,采用基于Bayesian原理的改进Richard-Lucy迭代法求解驻留时间.在分析驻留时间的连续速度实现基础上,给出螺旋路径参数的确定准则.建立螺旋扫描加工方式的工艺流程并进行试验验证研究.试验研究对φ100平面镜和φ200非球面镜修形加工得到了面形方均根误差均优于0.01λ.研究结果表明:极轴加工与普通的全口径加工一样是一种高效率、高确定性的加工方法,能够对镜面进行精确修形,同时可以节约加工成本.     

Ф420mm高次非球面透镜的加工与检测

介绍了Ф420mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化,通过分工序加工方式,依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时,考虑透镜的凹面为球面,利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测,剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后,透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS;针对透镜的凸面为高次非球面,采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测,其精度达到0.013λ-RMS。最后,采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测,得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明,非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.     

应用旋转法实现大口径非球面反射镜零重力面形加工

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工,建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍,并结合一块Ф1 290mm ULE材料的非球面反射镜加工实例,分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法,实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1mm。然后,在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理,主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS;同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大,进行了针对性去除,面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后,采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工,反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS,去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS,该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径,还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。     

大口径非球面系统的共基准加工与检验

针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点,提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法,对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8nm)时,对主镜和第三镜进行共基准装调和测试,并进行背板一体化装嵌,然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例,对一大口径非球面系统口径为724mm×247mm的非球面主镜和口径为632mm×205mm的第三镜进行了共基准加工与检测,最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ,满足光学成像。     

气囊抛光过程的运动精度控制

针对用于球面、非球面光学元件超精密光学加工的气囊抛光技术,提出了一套控制抛光过程中气囊运动精度的方法。该方法通过控制加工单元的温度,保证抛光过程中设备运动精度达到50μm;使用坐标传递法,使检测数据二维方向对准不确定度达到0.30~0.70mm。另外,基于磨头去除量估计与反馈修正法,提高精抛过程面形误差收敛效率。最后,通过磨头探测校准法,将磨头与加工工件法向位置精度提高至10μm。实际抛光实验显示:使用运动精度控制法在280mm口径的平面精密抛光中获得的面形加工精度为0.8nm(RMS),在160mm口径的凹球面精密抛光中获得的面形加工结果为1.1nm(RMS),实现了超高精度面形修正的目的,为超高精度球面、非球面光学元件加工提供了一套行之有效的方法。该方法同样适用于其他接触式小磨头数控抛光方法。     

大口径非球面反射镜误差分离组合加工技术

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾,提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先,分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后,比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后,根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点,将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差,使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略,有效提高加工效率。结合工程实例,对一块口径为2.04m的非球面SiC反射镜进行了加工试验,单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明,高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高,达到了良好的效果,满足加工需求。     

高精度光学表面磁流变修形技术研究

作为一种确定性子孔径的光学加工方法,磁流变抛光具有高精度、高效率、高表面质量以及无亚表面损伤的特点,有能力对各种形状的光学零件进行加工。本文系统的介绍了磁流变抛光高精度光学表面的关键技术,并采用自研的KDMRF－1000磁流变抛光机床和KDMRW-1水基磁流变抛光液对直径100mm的K4材料平面反射镜和直径200mm的K9材料球面反射镜进行加工实验。样件一面形收敛到PV值55.3nm,面形RMS值5.5nm;样件二面形收敛到PV值40.5nm,面形RMS值5nm。样件的表面粗糙度均有显著改善。     

全频段亚纳米精度氟化钙材料加工

考虑用CaF_2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标,本文研究了CaF_2材料加工工艺的全流程,以实现CaF_2材料的全频段高精度加工。首先,利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF_2元件有较好的面形和表面质量。然后,优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数,并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF_2元件的高频误差,逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。最后,在不改变CaF_2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明:其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39nm,Zernike残差RMS值为0.43nm,高频粗糙度均值为0.31nm,实现了对CaF_2元件的亚纳米精度加工,为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。     

Contouring algorithm for ion figuring

Ion beam figuring provides a highly deterministic method for the final precision figuring of optical components with advantages over conventional methods. The ion-figuring process involves bombarding a component with a stable beam of accelerated particles, which selectively removes material from the surface. The specific figure corrections are achieved by rastering the fixed-current beam across the workpiece at varying velocities. Unlike conventional methods, ion figuring is a noncontract technique that avoids such problems inherent in traditional fabrication processes as edge roll-off effects, tool wear, and force loading of the work piece. Other researchers have demonstrated that ion beam figuring is effective for correcting of large optical components. This work is directed toward the development of the precision ion-machining system (PIMS) at NASA's Marshall Space Flight Center (MSFC). This system is designed for processing small ( 10 cm diameter) optical components. The ion-figuring process involves obtaining an interferometric error map of the surface, choosing a raster pattern for the beam, and determining the velocities along that path. Because the material removed is the convolution of the fixed ion beam removal and the rastering velocity as a function of position, determining the appropriate velocities from the desired removal map and the known ion beam profile is a deconvolution process. A unique method of performing this deconvolution was developed for the project, which is also applicable to other mathematically similar processes, including computer-controlled polishing. This paper presents the deconvolution algorithm, a comparison of this technique with other methods, and a simulation analysis. Future research will implement this procedure at MSFC.     

小口径玻璃透镜热压成形模具的超精密微细磨削加工

对小口径玻璃透镜热压成形模具的超精密平行磨削进行了试验研究,并对加工过程中的形状误差补偿技术进行了探讨。结合超精密平行磨削技术和形状误差补偿技术,选用经精密整形和修锐的微小砂轮,对直径和曲率半径均为10mm的小口径透镜模具样品进行了加工试验。试验获得的加工表面的表面粗糙度Ra=5.98nm、Rz=34.95nm,形状精度峰谷值为113nm、均方根值为23nm,其形状精度峰谷值及均方根值均较误差补偿之前有明显减小,加工过程中的残余形状误差得到了有效的修正和补偿,加工精度得到提高。     

光学镜面离子束加工的可达性

提出了离子束加工可达性问题的理论描述和定义,分析了驻留函数解的存在条件,进而分析了采用不同直径的离子束去除不同频率面形误差时额外去除量的大小,最后进行了仿真验证。分析结果表明,对于高斯型的束函数,驻留函数解总是存在的。但是面形误差频率越高,驻留函数解越大,去除面形误差时去除的额外材料越多。额外的材料去除量随着离子束径和空间误差波长之比(d/λ)的增加而指数增加。当d/λ=0.5时,额外材料去除量为15%,还是可以接受的;当d/λ=1时,额外材料去除量迅速上升到73%,该值即很难被接受。理论分析和仿真结果表明,为了优化加工过程,d/λ应该＜0.5。     

Optimization strategy for the velocity distribution based on tool influence function non-linearity in atmospheric pressure plasma processing

Atmospheric pressure plasma processing (APPP) is proved to be potential in the fabrication of optical elements with high efficiency and near-zero damage. However, high convergence rate in the figuring process is hard to achieve because of the tool influence function (TIF) non-linearity. Directly solved dwell time map by conventional deconvolution methods does not consider the non-linear thermal effect, which leads to significant figuring error. In this paper, the optimization strategy for TIF non-linearity based on the velocity distribution in APPP is presented. The exponential model of TIF with non-linearity is established by trench experiments. A series of simulations are also conducted to analyze the thermal effect of non-linearity on the figuring process, indicating the TIF constantly changes with velocity distribution. Two evaluation parameters, relative balance factor and velocity concentration factor, are proposed to investigate the figuring capacity of calculated velocity distribution. With two evaluation parameters, the optimization strategy of velocity distribution based on TIF selection is proposed to suppress the non-linearity. Verification experiments are carried out to validate the two optimized TIFs. The results show that high convergence is achieved to be 72.41% and 82.81% for root-mean-square value respectively, which proves the feasibility of the proposed optimization strategy.     

船用天然气发动机电子节气门自适应高阶滑模控制

针对船用天然气发动机电子节气门非线性控制问题以及高阶滑模控制存在的边界难以估计问题,提出了一种基于高阶 滑模理论的节气门自适应控制算法,设计了基于系统相平面轨迹收敛过程的自适应策略,为了增加控制算法的实用性,在自适 应策略的基础上设计了检测区域,通过判断系统状态与该区域的相对位置双向调节控制增益,以防止增益过大而导致控制精度 降低、控制能量浪费的问题;同时,采用鲁棒微分估计器,对不可观测量进行估计;最后,设计 3 种测试方案,将该算法与传统高 阶滑模算法进行实验对比。 实验结果表明:在阶跃信号下,该算法使系统响应速度提高 35% ,稳态误差均方根减小 37. 5% ;在正 弦信号下,系统最大稳态误差和稳态误差均方根分别减小 30% 和 22% 。     

光学镜面离子束加工材料去除效率

分析了离子束加工材料去除效率、不同材料之间的相对去除效率与工艺参数的关系。基于Sigmund溅射理论,建立表征去除效率的指标－法向去除率、体积去除率和溅射产额与束能、束流以及入射角度之间的关系模型。以石英、微晶和K4等为样件,实验分析了去除效率与工艺参数的关系,验证了模型的正确性。分析结果表明材料去除效率随束流线性增大;约与束能平方根呈线性关系;随着入射角度先缓慢增大,约在60~80°达到最大值,尔后迅速降为零。不同材料之间的相对去除效率与束流无关;与束能的关系较弱,可以忽略;随角度变化较为明显。     

Diamond turning using position and AE dual feedback control system

A control scheme to improve machining accuracy by means of an acoustic emission root mean square (AErms) signal measured on-line during diamond turning is proposed. Preliminary experiments have verified a correlation between a machining error and measured AErms. Based on the correlation, a control algorithm to apply a compensation signal to a position feedback control loop, named the position and AE dual feedback control scheme is proposed. Machining tests using a diamond turning machine controlled with a PC-based open architecture controller showed that the proposed control scheme accomplishes 20% reduction of machining error compared to conventional position feedback control. Machining tests using new and worn diamond tools showed that an on-line tool-wear recognition is possible using the AE feedback control system.