用于锥面光学元件的共形振动平滑抛光方法及光学元件

本发明涉及光学元件的加工，具体涉及一种用于锥面光学元件的共形振动平滑抛光方法及光学元件。

背景技术：

1、复杂曲面光学元件广泛应用于光谱分析、激光通信、集成电路制造、天文观测等领域，针对此类具有复杂曲面形状的光学元件超精密制造技术一直是光学制造领域的研究热点，研究人员开展了一系列的研究。锥面光学元件作为一种重要的复杂曲面光学元件，具有特殊的光束变换能力，可以将入射光束整形为贝塞尔光束，贝塞尔光束具有近无衍射性、长焦深和自愈合等特点，广泛应用于激光加工，生物医疗、光学成像等领域。由于光学系统对其中核心光学元件制造精度的要求不断提高，锥面光学元件的需求日益明显。

2、目前在超精密光学制造领域中，针对锥面光学元件面形误差控制方法大多仍使用多种工艺组合迭代加工的方式实现，即使用不同工艺分别处理不同频段的面形误差。例如，先使用磁流变抛光技术对光学表面低频误差进行修正，使低频面形符合合格指标，但也同时会在加工过程中向加工表面引入各种类型的中频残留误差。往往还需要再使用大孔径或全孔径抛光工具对加工表面残留的中频误差进行光顺平滑，在这过程中由于锥面面形曲率剧烈变化的特点，无法对锥面光学元件面形起到良好的保持效果。因此需要不断迭代加工，直至所加工面形各频段误差收敛合格。此类方法工艺流程复杂，周期长，成本高，难以同时对锥面光学元件低、中频面型误差实现协同控制，难以满足庞大的市场应用需求，进行批量化生产。现有使用不同工艺分别处理不同频段的面形误差的锥面光学元件面形误差控制方法存在以下问题：（1）加工效率低下：多工艺多次抛光过程会导致加工周期延长，会在多个加工、检测阶段引入误差，导致精度下降；（2）去除函数畸变：在加工过程中，普通抛光工具会因为锥面高陡度面形和曲率持续变化的特点导致接触去除变形，进而使得去除函数畸变，使得加工的确定性和可预测性降低；（3）面形修正频段局限：当使用子孔径抛光工具对锥面元件进行加工时，元件低频面形往往会因为贴合效果差而导致被破坏。此外，现有技术中有提出使用非接触式的co2激光抛光方法进行锥面光学元件加工，但该方法对加工表面会产生不可避免的热效应，尤其是在锥面的锥尖位置会导致圆化和钝化现象，未能提供高质量锥面加工面形结果。如何对锥面光学元件实现提升加工效率、面形精度协同控制，已成为一项亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于锥面光学元件的共形振动平滑抛光方法及光学元件，本发明旨在保护锥面光学元件的低频面形的同时，快速、有效地抑制原加工表面所残留的中频误差，达到对锥面光学元件实现提升加工效率、面形精度协同控制的目的。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种用于锥面光学元件的共形振动平滑抛光方法，包括下述步骤：

4、s101，根据对被加工锥面光学元件采用同心圆抛光轨迹，将被加工锥面光学元件的锥面划分为同心的n个环带，分别对每一个环带进行测试获取对应的去除函数；

5、s102，测量被加工锥面光学元件的面形数据；

6、s103，针对被加工锥面光学元件的各个环带，分别根据被加工锥面光学元件当前的面形数据及其去除函数进行抛光过程中的驻留时间解算；

7、s104，针对被加工锥面光学元件的各个环带，依次利用设定的加工参数、对应的去除函数和解算得到的驻留时间进行抛光盘共形振动平滑抛光；

8、s105，测量被加工锥面光学元件的面形数据，若面形数据满足要求，则结束并退出；否则，调整加工参数，跳转步骤s103继续迭代。

9、可选地，步骤s101中分别对每一个环带进行测试获取对应的去除函数时，包括在与被加工锥面光学元件相同条件的测试件上分别对各个环带进行驻留打斑实验，使用测量仪器获取测试件上对应的环带的去除函数，从而得到每一个环带对应的去除函数。

10、可选地，步骤s103中进行抛光过程中的驻留时间解算包括：

11、s201，根据被加工锥面光学元件当前的面形数据,获取被加工锥面光学元件当前的面形数据中各个采样点所需的去除材料厚度：

12、；

13、其中，为第k个采样点所需的去除材料厚度，为第k个采样点的面形数据，为理想形状面形数值，，为采样点总数；

14、s202，将任意第个环带到环带中心的半径记为，，为环带的总数量，确定第个环带上的驻留点数目，且各个环带的驻留点数目从圆心由内向外递增；确定第个环带上任意第个驻留点的极角和直角坐标为：

15、；

16、；

17、其中，为第一个驻留点的极角，为驻留点的索引，；和分别为第个环带上任意第个驻留点的x坐标和y坐标；

18、s203，将n个环带上所有个驻留点顺序编号；

19、s204，将各个环带在极坐标下的去除函数转换到全局坐标系下以获得各个驻留点的单位时间材料去除量；

20、；

21、；

22、其中，为第个环带上第个驻留点在全局坐标系的坐标处的单位时间材料去除量，为第个环带上第个驻留点的极角通过旋转变换函数变换得到的结果，为全局坐标系的坐标处的列向量，上标中的表示转置；为第个环带上第个驻留点的直角坐标，为旋转变换函数，为旋转变换函数的自变量；

23、s205，根据个驻留点顺序编号与各个环带上驻留点的索引存在唯一的一一对应映射关系，分别确定所有第个驻留点对第个采样点的单位时间材料去除量：

24、；

25、其中，为第个环带上第个驻留点在全局坐标系的坐标处的单位时间材料去除量，为全局坐标系的坐标处的列向量；

26、s206，将所有第个驻留点对第个采样点的单位时间材料去除量构建维的单位时间材料去除量矩阵，构建驻留时间的线性方程组：

27、；

28、其中，为维的总材料去除量矩阵，为m个驻留点的驻留时间，～分别为第1～m个驻留点的驻留时间，为k个采样点所需的去除材料厚度向量，～分别为第1～k个采样点所需的去除材料厚度；求解驻留时间的线性方程组，从而得到m个驻留点的驻留时间。

29、可选地，步骤s104中进行抛光盘共形振动平滑抛光时，将被加工锥面光学元件固定到机床的夹具上，通过夹具的偏摆摇篮机构的偏摆运动将被加工锥面光学元件一侧的母线调节至水平状态，驱动被加工锥面光学元件以轴心做自转运动，然后通过夹具的振动机构驱动被加工锥面光学元件沿着水平方向做往复振动，并控制机床上的抛光盘沿水平方向做径向进给运动依次在各个环带，利用设定的加工参数、对应的去除函数和解算得到的驻留时间使用抛光盘进行共形振动平滑抛光。

30、可选地，步骤s104中，所述设定的加工参数包括抛光盘的振动频率、振动幅值、进给距离、抛光压力、单轮材料去除深度和抛光轮数中的部分或全部。

31、可选地，步骤s104中进行抛光盘共形振动平滑抛光时，所使用的抛光盘为与被加工锥面光学元件共圆心的扇形结构，并针对不同的环带使用不同参数的抛光盘，且针对任意第

i个环带包括：获取第

i个环带去除区域在被加工锥面光学元件的锥面母线方向上的起点和终点坐标，计算该起点和终点坐标之间的环带宽度线段中点与被加工锥面光学元件的锥心之间的距离，将该距离作为对应抛光盘的中心设计距离；获取第

i个环带的去除区域在被加工锥面光学元件的锥面母线方向上的线段长度作为得到的第

i个环带的实际径向宽度，将第

i个环带的实际径向宽度作为对应抛光盘的扇边长度；根据抛光盘的中心设计距离和扇边长度确定对应抛光盘的圆心角：

32、；

33、其中，为抛光盘有效工作面的目标长宽比系数，该目标长宽比系数为抛光盘的外沿弧长与扇边长度的比值。

34、可选地，所述抛光盘包括依次层叠布置的共形转接层、柔性变形层和抛光垫层，所述共形转接层的顶面设有球铰机构以用于抛光盘的连接，所述抛光垫层用于与被加工锥面光学元件的表面接触以实现对被加工锥面光学元件的抛光。

35、可选地，所述柔性变形层所采用的材料的弹性模量在10-50mpa范围内，泊松比在0.45-0.49之间。

36、可选地，所述抛光垫层的厚度为1-2mm。

37、本发明还提供一种锥面光学元件，所述锥面光学元件为采用所述用于锥面光学元件的共形振动平滑抛光方法加工形成。

38、和现有技术相比，本发明主要可起到下述有益效果：本发明方法包括将被加工锥面光学元件的锥面划分为同心的n个环带，分别对每一个环带测试获取对应的去除函数；测量被加工锥面光学元件的面形数据；针对各个环带，分别根据被加工锥面光学元件当前的面形数据及其去除函数进行抛光过程中的驻留时间解算；针对被加工锥面光学元件的各个环带，依次利用设定的加工参数、对应的去除函数和解算得到的驻留时间进行抛光盘共形振动平滑抛光直至面形数据满足要求。本发明能够在保护锥面光学元件的低频面形的同时，快速、有效地抑制原加工表面所残留的中频误差，达到对锥面光学元件实现提升加工效率、面形精度协同控制的目的。