[发明专利]一种光学自由曲面补偿加工方法

说明书

技术领域

本发明属于先进制造领域的复杂曲面零件超精密制造、光学表面自由曲面零件制造技术领域。

背景技术

传统光学系统一直采用普通球面或平面作为关键器件，为避免各类光学畸变需要依靠大量器件组合成庞大的系统。随着先进制造技术的发展，形状复杂的非球面逐渐应用于光学设计中，其优越的光学性能可用于搭建较轻便系统。近年来，高精度化和微小化已成为光学系统发展的主要趋势，光学自由曲面是基于光学理论而设计出的适应这一要求的新一代光学元件，其轮廓特征是一种面形非对称、形状不规则、构造无规律的曲面结构，不仅能最大程度地简化系统结构、降低成本、实现最大程度的功能集成化，还能最大限度地提高和改善系统性能，如校正像差、改善像质、扩大视场等，适应现代工程技术所需的设计复杂性和功能集成化关键功能器件应用需求。

对加工质量评价的重点放在几何形状量误差上，为了实现面型可控制造技术，必须借助曲面面型的超精密检测方法实现光学自由曲面的制造闭环控制加工。在加工过程中，需要依据面型测量结果进行误差补偿加工，进行反复“测量-补偿”，最终获得满足精度要求的自由曲面器件。超精密加工的精度有赖于测量的验证，并获得补偿与修正数据。一般采用轮廓仪、面型干涉仪等离线手段实现加工曲面面形形状测量，获取测量数据之后需对面型精度进行评价并以此修正补偿路径的规划，最终实现其面形精度的控制。目前公开的可控精度的光学器件制造方法均是针对离线测量方法的，原位测量(即测量系统固定于加工机床上，在对工件加工后直接测量，工件不用取下)具有众多优点：一方面避免了二次装恰引入的误差；另一方面，因为光学自由曲面是非回转对称、形状不规则曲面，不具有很好的对正元素，因此，在二次装卡时，很难控制到较好的对正精度，而原位测量方法则避免这种对正困难。但原位测量方法测量方式的特殊性，决定了整个制造过程中数据处理不具通用性，本发明针对实际的原位测量方法，设计了一整套光学自由曲面补偿加工方法，实现光学自由曲面面型可控制造的方法和工艺。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种可以实现光学自由曲面完整有效的可控精度制造的光学自由曲面补偿加工方法。本发明借助超精密车床进行光学自由曲面加工，并利用原位测量方法进行器件面型测量，针对原位测量数据的特点提出一整套数据处理和制造方法。为此，本发明采用如下的技术方案。

一种光学自由曲面补偿加工方法，该方法在预先设计好加工路径和测量路径后，采用如下的补偿加工方法：

(1)根据设计好的加工路径进行光学自由曲面加工，并借助原位测量方法对加工好的光学自由曲面进行原位测量，得到和测量路径排列方式一样的测量点；

(2)采用下列步骤将测量数据转换为规则阵列数据：

1)在XY平面上设计规则点阵列T，其范围稍大于测量数据的范围，其中包含M×M个点，阵列上任意点标记为A(i，j)，和其对应的测量数据的Z坐标标记为Δz(i，j)，作为该点的第三维坐标；T被分解为N×N个长方形单位区域t，每个t等大小，那么单位区域t中包含了M/N个阵列点，单位区域t中点距d设为单位距离，一般设置为测量路径相邻路线距离的大小。阵列上任意点标记为A(i，j)，和其对应的测量数据的Z坐标标记为Δz(i，j)，作为该点的第三维坐标；

2)设置参数：单元圆内最小点数n₀＝4；

3)遍历测量点，根据其X和Y坐标值的大小，分别归属于不同的单位区域t内，并标注每个测量点对应的区域编号；

4)根据区域编号定位A(i，j)在哪个单位区域t内，并以A(i，j)所属的小块t的某一个角点作为中心找到相邻的四个单位区域，确定四个单位区域所包含的9个角点，并计算含盖这9个点的矩形区域的最小外接圆半径，设为R，该最小外接圆被称为单位圆；

5)精搜索在单元圆中的测量点数据，假设测量点的个数为n；

6)判断满足条件的测量点数n是否小于设定好的n₀，如果满足小于n₀，则单元圆的半径R就要增大(如增大1.2倍)，然后按照4)再做局部搜索，直到满足n＞n₀；

7)A(i，j)点的第三维坐标Δz(i，j)可通过加权平均的方法进行求取，其中L (t)

(t＝1，2...，n)为单元圆中包含的测量点到距离A(i，j)的距离；

8)按照规则点阵列排列顺序，重复步骤3)-7)，求取阵列上每个点对应的第三维坐标Δz(i，j)。

(3)对规则点阵列T的测量数据进行滤波处理，得到面型误差数据；