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。

计算机控制光学表面成形法初值的确定

介绍了计算机控制光学表面成形法的原理,分析了几种非球面度的测量方法,研究了非球面度的不同计算方法对采用计算机控制光学表面成形法加工非球面的影响。从光学零件加工的角度对计算机控制光学表面成形法初值的确定进行了探讨。

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。

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。

计算机控制光学加工过程中的技术难点及解决方法

计算机控制光学加工过程中的技术难点及解决方法＊张学军余景池张宏坤（中国科学院长春光学精密机械研究所长春１３００２２）（吉林工业大学汽车学院）０引言计算机控制表面成形（ＣｏｍｐｕｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌｅｄＯｐｔｉｃａｌＳｕｒｆａｃｉｎｇ，简称ＣＣＯＳ）是...

光学抛光中模具磨损的计算机控制补偿

模具的磨损消耗对计算机控制光学表面的抛光工艺影响甚大 ,但在实际加工中不利于将工艺中断来重新调整加工的零点以对模具的磨损进行补偿。因此本文提出了一个指数形式的模具磨损函数 ,并依此对 Preston方程进行了修正 ,达到了实时补偿模具磨损的目的。通过实验确定了该函数磨损时间常数值并将该方法用于计算机控制的抛光和误差修正。实验证明 。

计算机控制磁流变抛光软件去除算法设计

根据计算机控制磁流变抛光的去除机理,分析了抛光工艺软件的去除算法核心问题即求解驻留时间函数和加工路径设计。采用简森-范锡图特法对驻留时间函数进行迭代求解,同时优化设计工艺软件的加工路径算法,开展工艺软件全过程模块化、流程化设计,完成工艺软件的代码集成测试。最后,通过工艺软件控制磁流变抛光330mm×330mm石英平面反射镜实验,验证去除算法控制抛光过程的有效性及准确性,实验值与理论值吻合良好,从而证实工艺软件去除算法能够准确、有效地指导大口径光学元件的磁流变加工。

CCOS技术中去除函数的提取算法研究

针对计算机控制光学表面成形技术中去除函数的实验法建模问题,研究了抛光工艺中去除函数的提取算法。首先,对干涉检验得到的XYZ格式数据文件进行解析并针对其特点设计了相应的数据结构;然后,研究了去除函数的提取算法,并在此基础上研究了提取算法存在的误差以及降低误差的处理办法。在对去除函数的定性提取外,定量计算了去除函数的三个技术指标;最后,进行了去除函数测试实验并利用本文所述的提取算法进行去除函数提取及定量计算。本文所述算法可以用于去除函数的实验法建模并用于驻留时间的优化求解过程。

计算机控制光学表面成形中的频域分析

计算机控制光学表面成形(CCOS)工艺容易在光学零件表面产生中高频误差,从而影响光学系统的性能.为了对中高频误差进行有效控制,以卷积积分模型为基础,主要考虑加工过程的材料去除有效性,提出了修形能力值、材料去除有效率等概念,定量分析了CCOS工艺过程对不同频率成份误差的修正能力.分析得出CCOS工艺过程的材料去除有效率取决于工艺过程的去除函数,正好等于去除函数傅里叶变换的归一化幅值谱.最后,利用离子束成形工艺进行了3个正弦函数面形的刻蚀试验,对理论进行了验证.本文所采用的方法和得出的结论为分析和优化CCOS工艺提供了强有力的数学支持.

基于矩阵运算的光学零件磁流变加工的驻留时间算法

提出了一种光学零件磁流变加工的驻留时间计算方法。该算法以矩阵运算为基础,首先确定工件上各个控制节点的高度余量,并将磁流变抛光模对各控制节点的材料去除能力体现到去除矩阵中,然后利用非负最小二乘法求解驻留时间向量。采用该算法在自行研制的磁流变抛光机床上进行抛光实验,经过2次迭代加工后,有效口径为145mm的球面镜P-V值达到40.5nm(约为λ/15),RMS值达到5nm(约为λ/125),表面粗糙度Ra值达到0.57nm。

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。

光学平面镜面离子束修形中速度模式的实现

针对光学平面镜面离子束修形工艺中,目前采用的位置加工模式额外加工时间长、精度不高的缺点,提出离子束修形工艺中的速度加工模式,并给出速度加工模式中如何根据驻留时间计算加工中进给速度的方法。使用速度模式在自研的离子束加工机床KDIFS-500上进行了验证试验,对一块直径98mm的微晶玻璃平面样镜进行修形,加工时间为17.5min,样镜经过一次加工后,其面形误差的方均根值由初始的33.2nm提高到了3.1nm,面形收敛比高达10.7。试验结果表明,速度模式加工比位置模式加工可以缩短加工时间,提高加工精度,获得更大的面形收敛比。

大口径非球面镜面形加工环带提取

数控小工具是现代大口径非球面镜面研磨抛光加工中常用的一种计算机控制表面成形技术。在数控小工具加工实践中,当非球面面形精修到一定精度时,面形残差常常表现为环带形式,与相邻部分面形相差较大。为提高加工效率,可以针对这些环带使用小口径研抛工具进行单独修正,因此需要提取环带的位置和宽度。文章提出一种适用于大口径非球面镜的加工方法,通过将面形残差的高度信息映射到色彩空间成为图像,然后使用K-Means聚类分割图像,选择目标区间,得到待加工环带,此时可以计算出环带的宽度信息用于确定研抛工具的大小;另一方面,对环带提取骨架得到位置信息,从而生成数控机床可用的加工路径。该方法应用于1.6m望远镜非球面主镜面形的处理,从中提取了待加工环带信息用于指导面形加工,经多次加工与辅助平滑修抛迭代,主镜面形RMS值优于1/40波长。

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83.63nm减小到46.92nm,镜面精度提高了很多。

离子束抛光工艺中驻留时间的分步消去算法

在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。求解驻留时间是利用离子束加工函数和驻留时间的卷积等于镜面去除量的关系,而离子束抛光的过程就是一个执行解卷积的过程。受此启发,采用一种分步消去算法解矩阵的卷积运算。这种新算法占用计算机资源少,运算速度快,同时可以根据预先设定的加工精度算得满足要求的驻留时间函数。对这种新算法进行仿真分析,采用3种不同的消去顺序分步加工,得到了理想的仿真结果,PV值由抛光前的363.721 nm分别减小到6.136 nm、33.347 nm、3.875 nm,抛光后的镜面精度提高了很多。

异形口径离轴非球面光学加工与测试技术

针对离轴非球面制造的难点,研究分析了碳化硅非球面尤其是异形离轴非球面加工和检测的各项关键技术。首先利用加工中心DMG对离轴非球面进行了铣磨和表面成形,然后运用实验室自行研制的非球面加工中心FSGJ-2对离轴非球面进行了研磨和抛光,最后利用离子束对其进行了精抛光,并分别利用三坐标测量仪和激光跟踪仪对非球面进行面形轮廓测定和光学参数及几何量的精确控制。结合工程实践对一口径为600mm×270mm的类八角形离轴碳化硅非球面反射镜进行了超精加工与检测,并专门设计研制了光学补偿检测装置,对其进行了零位补偿干涉测量,其最终面形PV值为0.219λ,RMS值为0.018λ。

基于傅立叶变换法的子口径抛光去除函数修正特性分析

光学元件的超精密子口径抛光过程中,仿真加工与实际加工过程不一致将导致收敛出现反复,多次迭代冗余加工反而降低元件表面精度与收敛效率。本文基于傅立叶变化法分析子口径抛光去除函数的修正特性,针对其修正能力提出基于算法的修正补偿,通过在“非线性系统”下建立去除函数的动态补偿仿真模型,使得仿真过程更加符合实际,提高了确定性抛光过程的准确有效性,为超高精度面形误差修正工艺提供了关键技术支撑。

矩形离轴非球面反射镜的数控加工

针对离轴TMA结构空间相机中使用的两块离轴非球面反射镜的加工过程,提出了一种新型的矩形离轴非球面的最接近球面半径的求解及其优化方法,并且开发了基于计算机虚拟加工技术的CCOS工艺参数计算方法。被加工工件分别为165mm×100mm的矩形凸面离轴非球面和770mm×200mm的矩形轻量化凹面离轴非球面,设计精度分别为任意100mm,200mm子孔径面形精度优于0.025λRMS(λ=632.8nm)。经检验,工件的加工精度满足了设计要求,分别达到了0.023λRMS和0.013λRMS。

大口径离轴凸非球面的加工和检测（英文）

将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接测试技术相融合提出了凸非球面系统拼接检测方法,对该方法的原理和实现步骤进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型.依次利用计算机控制光学表面成形技术和磁流变抛光技术对一包含大口径凸非球面的离轴三反光学系统的各反射镜进行加工,并对整个系统进行装调和测试.测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值求解得到大口径凸非球面全口径的面形信息.结合工程实例,对一口径为292mm×183 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,其最终面形分布的均方根值为0.017λ(λ=632.8nm).