（光学专业论文）离轴非球面ccos加工过程关键技术研究.pdf

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 摘要 近年来，人们提出了“离轴三反消像散”( t m a ) 结构来满足下一代宅间相 机“详查”和“宽覆盖”的技术要求，该结构中要求使用三块离轴非球面反射 镜，而大口径高精度离轴非球面反射镜的制造技术是研制t m a 结构空间相机的 主要技术瓶颈之1 目前c c o s ( c o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ) 技术被广泛 用于离轴非球面反射镜的制造，本文针对该技术中涉及到的一些问题开展较为 深入的研究，以进一步提高离轴非球面的加工效率和精度。 所谓c c o s 技术，就是根据定量的数据检测结果，由计算机控制小磨头对 工件表面进行研磨抛光，并通过控制磨头在工件表面的驻留时问磨头转速相对 压力等工艺参数来控制工件表面的材料去除量c c o s 法加工非球面的关键技术 包括：c c o s 控制模型非球面面形的定量测量技术c n c 设备及其数控技术等在 z c o s 控制模型及理论计算方面，提出了一种适用于高次离轴非球面最接近球面 计算的优化算法，经计算，某矩形离轴非球面最接近球面半径的求解精度较传 统的“三点法”有了较犬的提高，理论加工余量由原来的1 0 78 u m r m s 降低到 2 56 6 u m r m s ：提出一种基于磨头与工件的相对位移量的控制模型，并且开发了 阻尼卷积迭代算法，引入“虚拟加工”的概念进行迭代求解和参数评价在非球 面测量技术方面，主要针对零位补偿检验过程中测量坐标的“非线性误差”的 形成原因及其补偿算法由光学调整量引起的测量误差以及调整量误差的拟和方 法等问题进行了讨论，并编制了相应的干涉检验数据处理软件a s i c ，干涉检验 结果经分析处理后能够满足c c o s 的技术要求并指导加工此外，文中还对新研 制的六轴联动“a s m 数控非球面加工中心”的控制系统进行了介绍，并专门介 绍了加工中心在线轮廓测量单元中测量误差的补偿模型，以及与加工中心配套 的控制软件a s m l0 的编制情况最后，比较详细地介绍了7 7 0 m m 2 0 0 m m ，f l1 7 高次离轴非球面反射镜的加工检验过程，加工后2 0 0 m m 口径范围内加工精度达 到o ，0 1 3 i n s ，完全满足了设计要求。 。 实践证明，本文的研究适用于大口径离轴非球面反射镜的加工，有效地提 高了非球面的加工效率和精度水平。 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i c a lm a n u f a c t u r i n gf o ro f f - a x i sa s p h e r i cm i r r o r sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc h a l l e n g i n g f o rt w or e a s o n sn l em i r r o r s i na d d i t i o ut ob e i n gl a r g e r , a y em o r ea s p h e r i ca n do f f - a x i si no r d e rt o m e e tt h er e q u i r e m e n to fn e x tg e n e r a t i o ns p a c ec a m e r a ，w h i c hi sc o m m o n l yc o n f i g u r e d a s t h r e e m i r r o r - a n a s t i g m a t ( t m a ) t og e tb o t h w i d ef o va n dh i g hr e s o l u t i o n ，a n dt h er e q u k e d a c c u r a c yi sm o r es t r i n g e n t t b i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t si m p r o v e dm e t h o d sf o rb o t ht e s t i n gr e s u l t s a n a l y s i s a n da s p h e r i cm i r r o r sf a b r i c a t i o nc o n c e r n i n gc o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ( c c o s ) t e c h n o l o g y t oi m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n da c c u r a c y an e wc c o sm o d e ib a s e do n r e l a t i v et 0 0 1p a t h i sp r o p o s e d ，a n dam c t h o di sd e v e l o p e dt o s o l v ea n de v a l u a t ef a b r i c a t i n gp a r a m e t e r sa no p t i m i z i n ga r i t h m e t i cf o rc a l c u l a t i n gt h eb e s t 。f i t s p h e r ei sa l s op r o p o s e d ，t h er e s u l ts h o w sb e t t e ra c c u r a c yi sr e a c h e dc o m p a r i n gt o t h r e ep o i n t s m e 山o d ”f r o m1 0 7 8 u m r m st o2 56 6 u r n r m s d u r i n g i n t e r f e r o m e t r i c o p t i c s t e s tw i t hn u l ll e n s 一n o n l i n e a re r r o r s ”o ft h et e s t i n g c o o r d i n a t e sw i l lb ei n t r o d u c e d am e t h o db a s e do nr a y - a a c i n g ，n o n l i n e a rt i t l i n ga n dc o o r d i n a t e t r a n s f e r r i n gi sp r o p o s e dt oe l i m i n a t et h e s ee i t o r s “m i s a l i g n m e n te r r o r ，、 h i c h i sc a u s e db y m i s a l i g n m e n td u r m gn u l lt e s ta d j u s t m e n t t o g e t h e rw i t hf a b r i c a t i o ne r r o r si ss h o w ni nt e s tr e s u l t s a n di ti si m p o r t a n tt os e p a r a t et h e s et w oe r r o r ss ot h a tt h et e s tr e s u l t sc a nb eu s e di nc c o sp r o c e s s a s i cs o f t w a r ei sd e v e l o p e df o re l i m i n a t i n gn o n l i n e a re r r o ra n ds e p a r a t i n gm i s a l i g n m e n te r r o r , a n dah i g ha c c u r a c ) ；s u i t a b l ef o r m a td a t af i l ei sg e n e r a t e db ya s i cf o rf u r t h e ra n a l y s i sf o rc c o s p r o c e s s i no r d e rt oi m p r o v et h ea b i l i n to fa s p h e r i co p t i c sm a n u f a c t u r i n g ，an e wc n cm a c h i n en a m e d a s mi sd e v e l o p e db yc i o m p , a n di t sn u m e r i cc o n t r o is y s t e mi sp r e s e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o nt h e n e wm a c h i n eh a sa b i l i t yt of a b r i c a t eo f f - a x i sm i r r o r su pt olmd i m e n s i o n ，a n dt h ea c c u r a c yc a n r e a c hu dt o1 5 0 k r m s ( 护6 3 28 n m ) a no n l i n ep r o f l l e r o m e t e ri si n t e g r a t e di na s m ，t h ee r r o r c o m p e n s a t i n gm o d e li sp r e s e n t si no r d e rt om a k et h en e v vm a c h i n er u nb e t t e r , a s m los o f t , e v a r e w a sd e v e l o p e da s m l 0c o n t a i n st h ee n t i r ec c o sp r o c e s s ，i n c l u d i n gb e s t - f i ts p h e r ec a l c u l a t i n g ， p r o f i l e rt e s ta n da n s l y s i s ，v i r t u a lg r i n d i n ga n dp o l i s h i n g ，c n cg r i n d i n ga n dp o l i s h i n g ，e t c a sr e s u l t s ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so faf l i7 ，7 7 0 m mx2 0 0 m mr e c t a n g u l a re v e nh i g h o r d e ro f f - a x i sa s p h e r i cm i r r o ri sp r e s e n t e da sa ne x a m p l ei nd e t a i ls e v e r a lt e s tr e s u l t so fo t h e r r i f t - a x i sa s p h e r i cm i r r o r sa r ea l s og i v e n a i io ft h em i r r o r sh a v ea c c u r a c yb e t t e rt h a n1 4 0 k ，a n d h a v ef u l f i l l e dt h ec l e m a n d sb yd e s i g n e r 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在现代战争条件下，照相侦察卫星扮演着越来越重要的角色。目前已有美 国、俄罗斯、法国、以色列、日本、韩国等许多国家相继发射了自己的侦燕卫 星【1 2 】。其中美国在这方面品种最为齐全、技术最为先进。 照相侦察卫星可分为普查型和详查型 两种。前者的分辨力一般为3 5 m ，一幅图 片的面积达几千到、二万平方公里，主要 用于监视大面积目标地区的军事活动、战略 目标和设旋的特征以及对危机地区和局部 地区的战略侦察，包括车辆位置和特征的侦 察；后者的分辨力优于2 m ，一幅图片覆盖 几十到几百平方公里，主要用于获取局部地 区重要目标详细特征信息的战略和战术侦 图1 - 1 ：美国k h _ 1 i 型侦察卫星 察，可确认和鉴别各种类型的车辆和装置 f i g i - i ：s 。“。m eo f k h - 1 18 3 e i l i t e 等。 近年来，随着科技进步，目前人们对 空间相机的分辨率的要求越来越高、视场角也越来越大1 3 4 5 , 6 , 7 8 j 。也就是说，要 求照相侦察卫星可以同时满足“宽覆盖”和“详查”的要求。 我们知道，空间相机的焦距f 和卫星高度h ，相机摄影分辨力n 和摄影地面 分辨力r 有如下关系： 厂：掣 ( 1 - ! ) 。 尺 同时根据光的衍射理论，理想光学系统的角分辨力碰、口径d 以及使用波长 九有如下关系： 1 2 2 丑 a = 一 d ( 1 ，2 ) 从( 1 - 1 ) 和( 1 - 2 ) 式可以看出，为提高地面像元分辨力和角分辨力，可以 采取增大系统焦距和采取大口径光学元件的办法。因此大口径非球面光学元件 第1 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 被广泛应用于新一代的空间相机，以提高系统的分辨力、增大视场、并降低系 统复杂程度，从而降低系统重量来降低发射成本。为同时实现照相侦察卫星的 “宽覆盖”和“详查”功能国外的专家们从8 0 年代就开始探讨空问照相机的 离轴三反消像散( t m a ) 结构；到了9 0 年代末，他们公开发表文章，明确指出 下一代对地观测光学遥感器为离轴三反消像散( t m a ：) 型o 1 1 121 3 。1 4 i 。这项技 术是同时实现大视场、高分辨力和较小的重量、体积的有效途径。目前美圈已 经完成了t m a 结构形式的空间相机的技术积累，进入了实用化阶段。例如美国 的快鸟( q u i c kb i r d ) 2 型空间相机就使用了离轴t m a 结构”而该相机是世界公 认的性能最优秀的商用 空间相机之一。尽管我 国在这个领域的研究工 作起步较晚，但是我们 没有单纯地沿着国外的 发展历程亦步亦趋，走 “先详查、后宽覆盖” 的发展道路，而是直接 醛准美国最新一代的详 查卫星8 x ( k h 1 3 ) 的 技术水平做跨越式发 展，直接实现相机“详 晨1 ：- 2 ：；淼嚣勰竺慧慧淼“宽甜的要f j 2 _ l _ 2 ：p h 。1 。“d h “m 4 “d5 a d i 。i 。k 。db vo “i 。k 七耐 求。使用t m a 离轴结构 实现这个的要求，必须使用离轴非球面光学系统，这使得大尺寸离轴非球面光 一学元件在空间光学领域受到得到了前所未有的广泛关注。 然而，高精度非球面光学元件的制造技术一直是光学制造业的技术难点，而 大口径、轻量化高精度离轴非球面的制造问题更是宽覆盖相机制造的“瓶颈” 技术之一。目前美国、法国、俄罗斯、日本甚至印度都开展了这方面的研究工 作，其中美、俄、法保持技术领先，而我国在这方面起步铰晚。 近年来，我国在空间相机技术方面取得了长足的进步，c c d 详查相机、轻 型宽覆盖相机、红外预警相机、o5 m 分辨力空间相机等空间光学项目均采用了 第2 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 大尺寸离轴非球面元件。这些项目的研制开发对离轴非球面光学元件的制造技 术不断地提出了更高的要求，也为进一步提高大尺寸、高精度离轴非球面制造 技术提供了前所未有的机遇。本课题的研究目标就是在以往科研工作的基础上， 解决我国新一代空间相机中大尺寸、轻量化、高精度离轴非球面光学元件的制 造问题，为上述空间光学研究项目提供技术支撑。 1 2 常用的非球面加工技术简介 完整的非球面制造技术，应该包括非球面加工和检验两部分内容。非球面 检验是非球面加工的前提和最终判别依据，而非球面加工则是非球面制造的最 终实现手段，因此加工和检验技术是密不可分的。由于加工技术和检验技术在 技术环节上自成体系，因此分别进行介绍。 大尺寸非球面的制造技术与中、小口径非球面的制造技术各有特点。中小 尺寸非球面元件一般面向产业化生产，生产批量大，对精度要求一般不高，因 此在生产技术上要追求高效率、低成本；而大尺寸非球面的制造一般是单件或 小批量生产，而且材料、加工、检验成本很高，因此其加工技术追求高精度、 高可靠性和较高的通用性，在此基础上尽可能提高效率，降低成本。此外，由 于大口径非球面元件大多用于天文望远镜或者空间遥感领域，大l 1 径非球面元 件的制造技术中还包含轻量化等专有技术。 获得非球面光学表面，有许多种实现手段。一般认为，主要包括研磨抛光 成形、注射成形和压力成形等三种方法。对于大尺寸非球面的制造，目前主要 采用研磨、抛光成形的方法。大尺寸非球面的加工过程中包括镜坯制造成形、 轻量化、铣磨成形、精密研磨、抛光和面型修正等许多工序。本文所涉及的非 球面制造技术主要包括精密研磨和抛光两个加工阶段。下面对非球面成形的主 要方法分别进行介绍。 1 2 1 中、小尺寸非球面加工技术 非球面光学元件在民用光学领域的应用，得益于近年来大批量、低成本的 非球面制造技术不断成熟。其中主要的制造方法包括： a 模具成形技术1 1 5 j 这种技术主要包括模压成型和注射成型两种。其原理是首先制备非球面模 第3 页 中国科学院长春光学精密机撤与物理研究所博士学使论文 具，然后使用塑料注射机或者玻璃模压设备成形。其特点是通过一个非球面模 具可以“复制”出多个非球面光学元件。因此，这种方法可以实现大批量、低 成本的非球面制造，特别适用于中、低精度的中小尺寸非球面的产业化生产。 例如，c d d v dr o m 光学读出头的制造；数码相机摄相机光学镜头中非球面 光学元件的制造；非球面树脂眼镜片的制造等产业化生产中，均使用了这项技 术。 ： b 快速精磨、抛光技术 快速精磨、抛光技术是中、小尺寸，中、高精度的非球面产业化制造方法。 随着先进制造技术的迅猛发展，以美国、德国为代表的西方发达国家，相继开 耻、“，“女! j 乜* 7 图1 - 3 ：n a n o _ l e c h 高速精密铣磨设备 f 远 1 - 3 ：p h o t o g r a p h o fn a t o c e c h 图1 4 ：磁流变抛光设备 1 5 0 a g f m e g r i n d i n gm a c h i n e f i g 1 - 4 ：p h o t o g r a p ho f m r f m a c h i n e 发出适用于中、小口径非球面光学元件加工的制造设备。这些设备一改传统的 范成法光学加工，使用确定性磨削技术加工轴对称非球面光学表面。确定性光 学加工的方法与传统方法相比，加工效率、精确度都有较大程度的提高，而对 操作工人技术水平的依赖程度却大为降低。但是这种加工方法对设备的精度要 求极为苛刻，因此目前只有美国、德国等少数国家掌握了这项技术。比较具有 代表性的加工设备包括美国光学罗切斯特大学制造技术中心( c o m ) 的 n a n o t e c h 系列产品和德国l o h 公司的系列产品1 7 1 8 1 ( 部分产品见图l 一4 ，图 1 5 和图1 6 ) 。 第4 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 图1 5 ：l o h 公司的非球面铣磨、抛光设备 f i gi 5p h o t oo f l o hm a c h i n ef o ra s p h c r i cg r o m l d i n g 在精密铣磨方面，这两家公司的产品采取了类似的方案，但是在快速抛光 方面，其产品策略则迥异。其中美国c o m 提供的解决方案在抛光阶段采取了“磁 流变抛光”技术，这种技术是美国罗切斯特大学光学制造技术中心多年研究取 得的一项突破性的成果，不仅大幅度提高了抛光效率，而且提高了抛光的精度 ( 见图1 - 6 ) 。 塑堑堕! 堂塑! 型! ! 塑! 墅! l 蛆m r f 1 35 r a i n u l e 缚2 】d 赫l 搿f 懈3s m 埘吐豁 圆圆圆 0 、j 0 7 秘m p 。0 0 4 4 牡mp - v 0 0 3 lp m p - v 图1 - 6 ：磁流变加工的检验结果 f k1 6 ：t e s t i n r e s u l t sf o rm r fo o l i s h i n 2 德国l o h 公司在抛光阶段的加工仍然使用了传统的抛光盘( 见图l 一5 ，右 第5 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论之 下图) ，但抛光盘的运动轨迹是根据确定性加工原理来规划的，因此也大幅度地 提高了抛光效率。 非球面元件的确定性加工方法，是近年来随着先进制造技术和计算机控制 技术的发展而产生的。目前这项技术已经达到了产业化的要求，而且具有较大 的市场发展空间。我们有理由相信这种加工方法会日益成熟，并且必将会随着 先进制造技术和计算机技术的继续发展而不断创新。 c 金刚石车削 单点金刚石车床是一种高精度的加工设备，使用金刚石车床可以直接加工 精度为峰谷值为x 4 - l 九( 净6 3 2 8 n m ) 的金属非球面光学表面。但这种加1 二方法 成本较高，而且不适于加工玻璃等脆性材料。因此在产业化生产中，多用于加 工模具或标准具。 d 传统光学加工法 使用传统的单轴机( 多轴机) 研磨抛光成形的办法，也可以加工中、小口 径的非球面光学元件。使用这种方法抛光非球面时，先根据非球面与其最接近 球面的偏差分布，将抛光盘的沥青( 或其他材料) 刻成梅花、三角等形状，使 工件沿径向的去除率不等，经长时间的抛光后，可以产生相应的非球面面形。 可见，这种加工方法的关键技术在于抛光盘的修整。这种方法的精度不高，加 丁周期较长，而且对操作工人技术水平的依赖性较强，因此正逐步被淘汰。然 而，这种方法所需设备简单，成本相对较低，因此对于单件、小批量的中、低 精度非球面元件的加工，该方法仍不失为一种有效的加工手段。 1 2 2 大尺寸非球面的加工技术 如前所述，目前确定性加工技术已经可以确保精密铣磨阶段将中、小尺寸 非球面的面形精度加工到微米量级，在这个精度水平下进行抛光阶段的加工将 大幅度地降低加工周期。但是到目前为止还没有见到使用确定性加工方法进行 大尺寸非球面精密研磨加工的报道。其主要原因是一方面大尺寸确定性加工设 备的技术过于复杂，研发费用过于庞大，会导致加工成本过高；另一方面的原 因是确定性加工方法只能加工回转对称曲面，不能用于加工离轴非球面等非回 转对称曲面。 目前对于大尺寸光学元件的非球面成形方法仍是研磨抛光法，其实现手段 多种多样。目前主要技术方法包括包括计算机数控光学表面成形技术( c c o s ) 、 第6 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 应力盘抛光技术、磁流变抛光技术、离子束抛光技术等。 研磨抛光法加工非球面光学元件，其主要工序应包括镜坯制造、铣磨成形、 轻量化、精密研磨、抛光、面形修整等。因此，大尺寸非球面加工技术中应该 包括上述工序的所有内容。本文的研究重点在于精密研磨、抛光和面形修整阶 段，其余工序中涉及的技术在此不做阐述。下面就大尺寸非球面加工的常用研 磨、抛光方法进行简要介绍。 a 计算机控制光学表面成形法( c c o s ，c o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a l s u r f a c i n g ) 计算机控制光学表面成形技术( c c o s ) 的加工原理是根据定量的面形检测 数据，在加工过程控制模型的基础上，用计算机控制一个d 、磨头( 直径通常小 于工件直径的1 4 ) 对光学零件进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面的驻 留时间及磨头与工件间的相对压力来控制材料的去除量。该技术最初是由美国 i t e k 公司的wjr u p p 在7 0 年代初期提出的旧2 0 ，2 “。最初的目的在于加工高精 度大u 径平面。限于当时的计算机技术和数控技术发展水平，该技术直到8 0 年 代中前期仍未达到实用化阶段。 8 0 年代中后期，随着计算机技术的迅猛发展，为这项技术的发展提供了可 。能。此外，在这项技术的开发过程中，人们发现这种方法特别适用于非球面的 加工。因此世界上以美国为首的一些发达国家相继投入了大量的人力、物力和 财力进行了深入研究。比较有代表性的有美国a r i z o n a 大学光学中心( o s c ) ， r o c h e s t e r 大学光学制造中心( c o m ) ，i t e k 公司，t i n s l e y 公司，l a w r e n c e l i v e r m o r e 国家实验室( i i m ) ，法国的r e o s c 空间光学制造中心，俄罗斯的瓦维洛夫国 家光学研究所等。美国i t e k 公司对其原有的其9 台c c o s 设备的数控单元进行 了改造，采用直流伺服加位置反馈控制技术，其前台操作采用v a x i i 小型机连 网管理并配有与c a d 系统的接 2 1 2 2 , 2 3 1 。改造后c c o s 过程的计算速度及精度都 得到了大幅度提高。这标志着c c o s 技术步入成熟和实用化阶段。在此期间， 法国、俄罗斯等国也相继开发出了各自的c c o s 设各，这些设备的加工精度达 到了0 1 唧r m s 左右的数量级。 进入9 0 年代以后，c c o s 技术不断成熟，美国i t e k 公司对c c o s 工艺进行 了改进，并开发出真空白砺磨头2 4 - 2 5 。2 6 1 ( 图1 - 7 ) ，使用c c o s 设备在短短的5 个 月时间内加工出2 m 口径厚度仅17 c m 的离轴抛物面 2 7 1 ，面形精度高达 第7 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 l 1 8 r m s ( 一o6 3 2 8 9 m ) ，用i t e k 公司光学系统部负责人j e r r o l dz i m m e r m a n 的话 来说，c c o s 技术的发展，是随着计算机、精密测量、新工艺新材料等综合技术 的发展而不断自我完善的过程1 “1 。 图1 0 ：l t e k 公司真空自励磨头实物照片 f i gl 一7p h o t o g r a p ho fac c o st o o lu s m g y a c a l l l l lf o r c e i n v i t e db yi t e kc o 我国在c c o s 技术方面的研究始于8 0 年代末、9 0 年代初，浙江大学【2 9 l 、北京理 工大学、紫金山天文台等有关单位相继开 展了这项技术的研究工作，但大多处于原 理实验阶段。长春光机所在中国科学院“八 五”重点课题超光滑非球面自动加工及 在线检测”的支持下，于】9 9 5 年研制成功 f s g j 1 型非球面数控光学加工中心，使 c c o s 技术在我国进入了实用化阶段。设 备完成后，针对该设备先后开展了大量的 工艺实验研究，在边缘误差控制和研磨阶 段表面质量控制等方面取得了一定进展 3 0 , 3 l 3 2 3 3 j ，在工艺参数及技术路线比较成熟 以后，先后成功地制造了国家急需的大口径相机的非球面主、次反射镜，并获 得了国家及部委级奖励。 与国外的同类设备相比，f s g j 1 的主要技术指标基本与同期国际水平接近， 但在可加工非球面尺寸范围方面，相对较小。 为满足目前国家空间光学研究项目中1 m 量级大口径非球面光学元件的需 求，长春光机所于2 0 0 2 年起开始研制a s m 新型非曲面光学元件加工中心。与 f s g j - i 相比，新设备采用了6 轴联动系统，不仅扩大了加工范围，而且针对 f s g j l 在使用过程中出现的问题，特别是针对离轴非球面元件加工的技术要求， 进行了多项改进设计，并首次采用磨头转速控制的方法进行面彤的修正，以大 幅度提高加工效率和加工精度。目前机械结构、数控系统和控制软件均已基本 完成，待工艺实验完成后再对系统进行优化，即可投入使用。 本文课题的研究是在f s g j 1 成功制造同轴5 0 0 m m 口径非球面主镜，以及 7 7 0 m m 2 0 0 m m 离轴非球面镜制造关键技术攻关的基础上，对轻量化离轴非球 面加工与检测技术中若二f 关键技术的进一步研究。关于c c o s 技术的细节问题 第g 页 中国科学院长春光学精密机械与物型研究所博士学伊论文 详见论文中其他章节。 b 应力盘抛光技术( s t r e s sl a pp o l i s h i n g ) 与球面、平面光学元件相比，使用研 磨、抛光法加工非球面光学元件的t 要 难度体现在非球面光学表面在不同的坐 标位置，其理论面形不同，因此无法找 到合适的工具使之与面形吻合。c c o s 技 术使用小磨头加工大表面，就是利用小 磨头能够相对较好地与非球面表面不同 坐标位置的面形形状相吻合的特点。应 力盘抛光采用主动变彤技术，利用计算 机控制应力盘的表面形状，使之在不同 的坐标下能够与非球面相应位置的面形 较好地吻合3 “。因此，应力盘抛光技术 实质上是对c c o s 技术的一种发展和补 充。 美国亚利桑那大学( a r i z o n a u n i v e r s i t y ) 光学中心( o s c ) 已经成功 图1 - 8 ：应力抛光 利用应力抛光技术制造出直径0 3 m 及 f i z 1 - 8 ：s t r e s sl a op l o s h i n o 1 m 的应力抛光盘，抛光箍采用2 5 毫米 厚的铝合金材料，基本形状为球面，利用边缘的1 2 个伺服促动器( a c t u a t o r ) 牵 引横贯抛光盘背部的钢丝产生应力，进而实现抛光盘的低阶变形，另外3 个促 动器用于控制抛光压力和压力梯度。在计算机的控制下，抛光盘在1 2 个促动器 的作用下在不同的空间位置上抛光盘符合不同的局部非球面面形，3 个促动器根 据变形误差值改变抛光压力，经计算机控制完成非球面的加工过程。这种应力 抛光技术解决了光学表面出现的中高频误差问题，减少了因表面存在中高频误 差而造成的能量损失 3 6 , 3 7 1 。图1 8 为a r i z o n a 大学光学中心( o s c ) 1 m 直径应力 抛光盘的实物照片。9 6 年底，a r i z o n a 大学光学中心( o s c ) 的m i r r o rl a b 实验 室应用该项技术为墨西哥制造一块口径83 m 的非球面主镜，面形精度l 6 xp - v ( x = 06 3 2 8 i r t m ) 。 第9 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 c 磁流变抛光技术( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n g ) m k f ( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n g ) 技术将电磁学和流体力学的原理相结 合，并成功地运用在光学加工技术中， 它利用磁流变抛光液在磁场中的流变性 进行抛光。在高强度的梯度磁场中，磁 流变抛光液变硬，成为具有粘塑性的 b i n g h a m 介质，并形成缎带凸起。当这 种介质流经工件与运动盘形成的很小空 隙时，在工件表面与其接触的区域上产 生很大的剪切力，从而去除工件表【f | 1 材 料( 图1 9 ，箭头所指为缎带凸起) 。数 控m r f 技术则通过计算机控制抛光轨 迹、驻留时间等工艺参数，以磁流变液 图1 - 9 ：磁流变抛光原理图及实物照片 形成的缎带突起为抛光头来完成面形误 f i g1 - 9s 。h 。“。“dp h o t o g 8 p ho f m r f 差的修正。可见，m r f 本质上仍是一种 小磨头数控抛光方法。 m r f 技术是对传统抛光方法的一次重大变革，m r f 主要具有以下优点： 抛光盘没有磨损，抛光特性稳定： 可以制造复杂形状的表面，如球面、非球面、非对称的自由曲面等： 由于m r f 抛光中工件与锻带凸起问只承受剪切力，因而可以减少下表面 破坏层，并适用于加工超薄光学元件( 径厚比大于1 0 ：1 ) ；此外，h a r v e ym p o l l i c o v e 认为，光学加工中产生的中频误差( m i ds p a c i a lf r e q u e n c ye r r o r ) 与工 件表面和抛光头之间的法向压力有关，因此m r f 抛光不会产生中频误差和边缘 效应。 m r f 技术出现于九十年代初期，由w ik o r d o n s k i 、i v p r o k h o r o v 及其合作 者1 3 8 , 3 9 1 发明。1 9 9 5 年，美国罗切斯特大学光学制造技术中心( c o m ，c e m e ro f o p t i c a lm a n u f a c t u r i n g ，u n i v e r s i t yo fr o c h e s t e r ) 将磁流变抛光技术实用化，并研 制成功商用m r f 抛光设备( 图1 - 5 ) 1 4 0 ，4 ”。m r f 技术在最近几年里取得了长足 的发展，其加工效率和精度，以及可加工工件尺寸均有了较大的提高。据悉， 中国科学院长誊光学精密机触与物理研究所博士学位论文 c o m 已经使用这种设备加工出直径i m 量级的高精度光学反射镜，在可以预见 的将来，这种方法将会用于大尺寸非球面光学表面的加工。 d 离子束抛光( i o nb e a mm i l l i n g ) 雌郫州5 4 6 4 7 l 离子束抛光采用被充电的高能原子或离子( 离子的质量较原子质量更大，因 图1 1 0 ：离子束抛光 f i g 1 - 1 0 + i o nb e a mm n i i n g 而可获得更大的动能) ，在真空状 态下由离子枪射向工件，材料在离 子束的轰击下实现去除。这种称为 溅射的材料去除机理足一种物理 现象，当带有很高能量的离子撞击 工件表面时，在撞击点e 材料以原 子量级实现去除，这就好比在原子 量级上的台球撞击。材料的去除量 取决于离子束在该点的溅射时间。 由于离子束抛光的去除量可以达 到原子量级，因此离子束抛光可以 达到非常高的精度。但是离子束抛光的材料取出量很小，因此工件表面要进行 预加工，采用其他的办法加工到相当的精度后，再使用离子束抛光进行工件面 形的最后修正。 在一般的精度要求下，很少采用离子束抛光。但对于某些特殊高精度要求的 镜面则不得不采用这种办法，如k o d a k 公司为w y k o 公司提供的、用于6 0 0 m m u 径干涉仪的参考平面镜就是最终采用离子束研磨方法得到的，在6 0 0 m m 口径 内面形误差p v 值小于3 1 5 ( 九= 6 3 28n l t l ) 。 可见，离子束抛光是一种超精密的光学加工技术，与其他光学加工技术相比， 除了可以达到相当高的精度水平以外，离子束抛光还具有对振动、温度不敏感， 不会产生塌边、翘边等边缘效应，适用范围广，不受工件几何形状影响等特点， 但是这种加工方法不能降低工件表面的粗糙度，因此必须在工件抛光达到一定 粗糙度水平以后，才可以使用这种方法进一步提高面形精度。 不同材料对于离子束轰击的反应有所不同，一些材料经离子束研磨后可依然 保持光滑表面，而有些材料在离子束研磨后表面很快变得粗糙。一般来说，玻 璃材科在进行离子束研磨之前对下表面破坏层进行较为仔细的处理，研磨之后 第l l 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 可依然保持光滑表面，这样的材料还有陶瓷、半导体材料等等。 目前，掌握和具有离子束研磨能力的国家有美国、俄罗斯等。其中美国在 这一领域中已实用化并应用在具体的项目中。如：伊斯特曼科达公司，橡树山 加工技术中心。 综上所述，近年来人们探索出许多非球 面加工的有效方法，其中c c o s 技术是其中 具有代表性的一种有效的技术手段。文中介 绍的这几种非球面加工方法，具有适用范围 广、实用化水平高的特点，可以用于加工大 部分常用的非球面光学表面。除上述方法以 外，还有许多其他的加工技术，如传统的手 工修带法加工共轴非球面，离心铸造法 ( s p i n c a s t i n g ) 4 8 , 4 9 , 5 0 】加工地基望远镜抛物 而，镜体弯曲应力抛光 5 1 5 2 1 法加工离轴非 图1 1 l ：线接触范成法加工二次曲面 球面，以及荷兰科研人员研制的线接触散粒 原理示意图 磨料范成法加工二次曲面技术( 图1 1 1 ) 等 f i g 1 1 1 ：s c h e m eo f l i n e c o n t a c t 等f 5 35 4 l 。这些非球面加工方法在一定范围内 m a c h i n i n g 适用于非球面的加工，但通用性不强，只能 用于加：l 一种或几种特定的非球面光学表 面，在此不作详细介绍。 第1 2 页 中国科学院k 春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 1 3 非球面检验技术 根据光学设计理论，在光学系统中采用非球面光学元件，会大幅度简化光学 系统结构，提高光学性能。然而，非球面光学元件至今仍然没有在常规光学系统 中。泛应用，究其原因在于非球面光学元件的加工、检验技术比较复杂，其制造 成本仍然很高，某些特定的非球面制造技术仍未解决。非球面的加工、检验难点 在于非球面光学元件的曲率半径随空间坐标的变化而变化，冈此传统的光学加 工、检验技术不能适用于非球面的制造。与非球面加工相比，非球面的检验技术 在非球面光学元件制造技术中的地位更为重要。一方面检验是加工的前提和依 据，加工精度的提高最终要通过更高精度的检验来确认；另一方面非球面加工结 果要通过检验来评价和验证。 同非球面加工一样，非球面检验也具有多种方式。按照实现方式可以划分为 机械式测量和光学检验；按检验对象可以划分为轮廓测量和面形检验；按照检验 目的可以划分加工过程检验和最终检验。卜面简要介绍非球面检验的常用方法。 1 轮廓检验。5 “ 对于精度要求不高的非球面元件以及非球面加工过程检验，轮廓测量是 种常用方法。轮廓测量是通过机械或光学传感器，通过专用的非球c f f i 测量仪按 照定的采样密度对非球面表面镜进行逐点测量。其测量原理是测量非球面表 面相对某一测量基准的绝对矢高，然后通过计算机软件与理论值相比较，获得 绝对矢高相对于理论矢高的偏差，最后通过计算机软件进行误差分析、数据拟 合等计算，获得非球面面形或母线的误差及其分布。在光学表面形成以前，轮 廓测量是一种非常重要的检验手段。轮廓测量的精度水平取决于传感器的分辨 能力、测量仪的精度水平以及计算机软件的精度分析水平。随着测量技术的发 展，目前轮廓测量精度已经可以达到纳米量级，完全可以作为最终检验手段用 于中等精度的中、小口径非球面测量。 轮廓测量的实现方式多种多样。各种实现方式之问的主要差别在于传感器 的选取、基准坐标系的设定以及被检工件相对传感器的运动方式选择。比较典 型的轮廓测量仪包括三坐标测量仪【”1 以及专门设汁的用于非球面检验的轮廓 仪。 第13 页 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 英国的t a y l o r h o b s o n 公司在t a l y s u r f 粗糙度测量仪的基础上，研制出非球 面轮廓测量仪阁( 图1 1 2 ) ，并开发了相应的数据分析、处理软件。该轮廓仪在 1 25 c m 范围内，分辨率高达08 n m ，横向、纵向 导轨的直线度误差也调整到01 u m 的量级。德国 l o h 公司与f r t 公司合作开发的非球面轮廓 仪，采用了光学长度测量传感器进行非接触测 量，并且具备自动对心等功能，测量精度电达到 了亚纳米级的水平。上述产品的测量精度水平已 经接近光学测量精度，不仅可以用于加工过程检 验，而且可以替代干涉测量方法满足大部分中等 精度非球面测量的要求。 高精度轮廓测量仪的成本相对较高，测量效 率也明显低于干涉测量。对于大口径非球面元 件，目前的技术水平还不能做到亚纳米级精度。 大口径轮廓测量仪目前没有成熟的产品，一般由 非球面光学7 i 件的制造公司或实验室自行设计 制造，与各自的非球面加工设备配套使用或者直 接安装在c c o s 设备上实现在线测量。美困亚 利桑那大学光学中心研制的摆臂式轮廓仪【5 9 i ( s w i n g i n ga r mp r o f i l o m e t e r ) ，使用球面坐标 圈1 1 2 ：t a 、1 0 r - h o b s o n 轮廓 支系，将测头安装在摆臂末端，而摆臂则固定在高 f i gl _ 1 2 ：t a y l o r - h o b s o n 精度静压气体轴承上，同时摆臂回转轴与被测量 a s p h e r i c p r m “”。t e r 表面顶点曲率中心相交。根据这个坐标系的选 取，测量基准面为通过被检面的顶点的球面，其球心为秽检面顶点的曲率中心。 由于非球面表面与该基准面的偏离量较小，一般在毫米量级以下，因此可以选 用量程较小、分辨率和重复精度较高的长度测量传感器。该测量仪唯一的移动 部件是一个高精度的空气轴承，而按照现有的技术水平，转轴的精度可以达到 很高的水平。由于测量仪没有采用任何平动的机械结构，因此不存在直线度误 差，避开了比较复杂的直线度误差的标定和去除。该测量仪的测量精度优于l “m ， 在亚利桑那大学光学中心的非球面加工过程中发挥了关键的作用。 第1 4 页 中国科学院长春光学精密机掖与物理研