（光学专业论文）大口径高精度光学元件数控抛光技术研究.pdf

y 6 5 4 1 1 4 大口 径高精度光学元件数控抛光技术研究 光学专业 研究生:王健 指导教师:蔡邦维 摘要 i c f驱动系统 大口 径光学 元件的 加工 质量是 整个 系统 光束 质量的 关键， 本 论文系统地研究了 计算机控制小磨头抛光方法对i c f 驱动系统的大口 径平面光 学元件、校正板和非球面透镜进行加工的理论和具体工艺流程。 所取得的主要 研究结果包括: 一、对光学玻璃抛光的机理做了 研究和分析，对于现用的传统和数控抛光 方式， 可以认为机械作用是基本的， 化学作用是重要的， 而流变现象是存在的。 抛光去除是这三种方式综合作用的结果。对计算机控制抛光的基础理论作了分 析，对材料的去除函数和数控抛光的驻留函数作了分析和推导。 二、 针对平面数控抛光问题， 对所使用数控机床的运动方式和抛光的磨削 函数作了分析; 通过对俄罗斯抛光工艺程序的使用分析， 针对现有的光学检测 情况，自 编两种工艺程序，这两种工艺程序互为补充，取得了良 好的元件加工 效果。最后介绍了高径厚比石英窗口的数控抛光实验过程和结果。 所完成的平面数控加工工艺获得了军队级科技进步三等奖， 目 前是神光i i i 原型装置平面玻璃光学元件精抛光的主工艺方法。对于透射窗口 元件，加工精 度可以稳定地达到单次透射波前畸变1 / 0 . ( p v值) 。 对于反射镜，加工精度可 以稳定地达到面形1 / 8 x ( p v值) 。 三、 基于平面数控抛光的技术特点， 提出了数控抛光加工随机波前校正板 解决激光装置系统静态波前畸变校正的思路，是数控加工技术一个新的应用领 域。解决了 波前畸变合成问题，设计了验证实验方案，并通过实验验证了其可 行性。该工作获得军队级科技进步三等奖。 四、 解决非球面聚焦透镜数控抛光问题。对所仲用数控机床的运动方式作 洁 如泌 流 味 了分析:根据机床的运动方式和元件的特点，设计数控抛光运动。对元件在各 加工阶段中产生的误差对最终检测结果的影响作了定量分析。 对检测调整误差 和加工误差作了分析并有效分离，保证了检测对加工的有效指导作用。编制工 艺程序，取得了良 好的加工效果。 所完成的非球面透镜数控加工工艺正申 报 2 0 0 4年度军队 级科技进步二 等 奖， 目 前是神光m原型装置非球面聚焦透镜精抛光的主工艺方法。 加工精度可 以稳定地达到单次透射波前畸变 1 1 3 , ( p v值) 。表面粗糙的优于 1 .2 n m ( r m s ) ， 达到了 美国国 家点 火装置 ( n i f ) 同 类元件的 制造水平。 关键词:数控光学抛光，工 c f 驱动系统，大口径光学元件， 波前畸变， 校正板， 非球面透镜 本论文工作得到国家高技术 8 6 3 计划项目 ( 8 0 4 - 2 ) 、中国工程物理研究院行业 科学技术预先研究基金 ( 2 0 0 1 0 2 1 4 )资助。 s t u d i e s o n c o m p u t e r c o n t r o l l e d o p t i c a l f i n i s h i n g f o r l a r g e a p e r t u r e h ig h p r e c i s i o n o p t ic s m a j o r : o p t i c s b y : wa n g j i a nt u t o r : c a i b a n g w e i ab s t r a c t a s t h e d r i v e r o f t h e i n e rt i a l c o n f i n e m e n t f u s i o n ( i c f ) , t h e h i g h p o w e r s o l i d - s t a t e l a s e r e m p l o y s a l o t o f l a r g e a p e r tu r e o p t i c a l c o m p o n e n t s . t o g u a r a n t e e t h e s a f e f u n c t i o n , t h e f a b r i c a t i o n q u a l i t y i s a k e y p r o b l e m , w h i c h i s a l s o t h e p r e c o n d it i o n o f t h e h i g h q u a l i t y l as e r b e a m . i n t h i s d i s s e rt a t i o n , c o m p u t e r c o n t r o l l e d o p t i c a l f i n i s h i n g u s i n g f o r l a r g e a p e r tu r e o p t i c a l c o m p o n e n t s , i .e . p l a n o o p t i c s , c o r r e c t o r , a n d a s p h e ri c a l l e n s h a s b e e n s t u d i e d . t h e m a i n r e s u lt s h a v e b e e n s u m m a r i z e d a s f o l l o ws : 1 . t h e p r i n c i p l e o f p o l i s h i n g o p t i c a l g l as s h as b e e n s t u d i e d . f o r t r a d i t i o n a l a n d n u m b e r c o n t r o l l e d p o l i s h i n g p r o c e s s , m e c h a n i c a l e ff e c t i s c a p i t a l , c h e m i c a l e ff e c t i s i m p o rt a n t , o r h e o l o g i c a l e ff e c t i s e x i s t e n t , t h e re m o v e o f t h e p o l i s h i n g i s r e s u l t o f i n t e g r a t e a l l t h r e e e f f e c t . t h e t h e o ry o f c o m p u t e r c o n t r o l l e d o p t i c a l f i n i s h i n g h a s b e e n s t u d i e d , t h e r e m o v a l f u n c t i o n o f t h e m a t e r i a l a n d d e v a l l f u n c t i o n h a s b e e n s t u d i e d . 2 . f o r p o l i s h i n g p i a n o o p t i c s , t h e m o v i n g o f c o m p u t e r c o n t r o l l e d m a c h i n e a n d r e m o v a l f u n c t i o n h as b e e n s t u d ie d ; t h e r u s s i a t e c h n i c a l p r o g r a m h as b e e n s t u d i e d ; t w o k i n d o f t e c h n i c a l p r o g r a m s h a s b e e n m a d e , w h i c h s p e c i a l d e s i g n e d f o r o u r o p t i c a l m e a s u r e s y s t e m . we g e t g o o d r e s u l t i n f a b r i c a t i o n b y u s i n g t h e s e t w o t e c lu i i c a l p r o g r a m s . t h e p r o c e s s a n d r e s u lt o f f a b r i c a t i o n h i g h d i a m e t e r t o t h i c k r a t i o f u s e d s i l i c a wi n d o w h as b e e n i n t r o d u c e d . n o w t h e p l a n o c o m p u t e r c o n t r o l l e d o p t i c a l f i n i s h i n g t e c h n i c s w h i c h h as b e e n d o n e w as m a i n t e c h n i c s f o r p o l i s h i n g p l a n o o p t i c s i n s h e n g u a n g i i i p r o t o t y p e . i t c a n a c h i e v e 1 / 6 1 . ( p v ) s i n g l e t r a n s m i tt e d w a v e f r o n t e r r o r f o r w i n d o w s a n d 1 / 8 1,. ( p v ) s u r f a c e e r r o r f o r mi r r o r . 3 . b a s e d o n c h a r a c t e r i s t i c s o f p l a n o c o m p u t e r c o n t r o l l e d o p t i c a l f i n i s h i n g t e c h n i c s , c c o s h a s b e e n e m p l o y e d f o r c o r r e c t i n g s t a t ic w a v e fr o n t e r r o r o f h i g h p o w e r s o l i d l a s e r f a c i l i t y . t h e c o m b i n a t i o n o f w a v e fr o n t e r r o r h a s b e e n d o n e . t h e s c h e m e o f p r o v i n g t h e e ff e c t h as b e e n d e s i g n e d . t h e w o r k p r o v e d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e t e c h n i c a l i d e a . t h i s wo r k h a d w i n 4 . c c o s f o r a s p h e r i c a l l e n s h a s b e e n d o n e . t h e m o v i n g s t y l e o f c o m p u t e r c o n t r o l l e d m a c h i n e h a s b e e n s t u d i e d . b a s e d o n t h e m o v i n g o f m a c h i n e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e l e n s , t h e p o l i s h m o v i n g s t y l e h as b e e n d e s i g n e d . t h e i n fl u e n c e o n m e as u r e r e s u l t w h i c h c a u s e d b y e r r o r s in d i ff e r e n t p r o c e s s s t a g e h as b e e n s t u d i e d . t h e e r r o r i n m e a s u r e a n d i n f a b r i c a t i o n h a s b e e n s t u d i e d a n d s e p a r a t e d e f f i c i e n t l y , w h i c h g u a r a n t e e t h e g u i d a n c e f o r f a b r i c a t i o n . t h e t e c h n i c a l p r o g r a m h a s b e e n m a d e . g o o d r e s u l t i n f a b r i c a t i o n a s p h e r c i a l l e n s h as b e e n g e t b y u s i n g t h e s e t e c h n o l o g y . t h e t e c h n i c s o f c c o s f o r a s p h e r i c a l l e n s w as m a i n t e c h n i c s f o r p o l i s h i n g a s p h e r i c a l l e n s i n s h e n g u a n g i i i p r o t o t y p e . i t c a n a c h i e v e 1 / 3 ) . ( p v ) s i n g l e t r a n s m i t t e d w a v e f r o n t - e r r o r a n d 1 .2 n i n 扭ms ) o f s u r f a c e r o u g h n e s s . i t i s t h e s a m e l e v e l a s ni f i n us a. k e y w o r d s : c c o s ( c o m p u t e r c o n t r o l l e d o p t i c a l fi n i s h in g ) , i c f d r i v e s y s t e m , l a r g e a p e r t u r e o 如c a l c o m p o n e n t , w a v e f r o n t e r r o r , c o r r e c t o r , a s p h e r i c a l l e n s th i s wo r k wa s o r te d b y n a t i o n a l h i - t e c h p l a n ( 8 0 4 - 2 ) a n d c a e p f o u n d a t i o n ( 2 0 0 1 0 2 1 4 ) i v 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 研究背景 在全面禁止核试验条约签署以后， 如何为维护国家安全使国家保持一定的 核威慑力量，是当今世界各拥有核技术国家竞相考虑的问题。以美国为代表的 主要国家都在大力发展实验室核爆模拟技术。受控热核反应是一种非常诱人的 聚变方式，它通过缓慢、有控制地实现氢核的聚变反应，释放出巨大的能量。 目前，惯性约束聚变 i n e r t i a l c o n fi n e m e n t f u s i o n简称i c f )是实现受控热核 反应的主要方式之一，目 前普遍采用的是激光驱动方式.就是利用聚焦光学系 统将高功率激光束汇聚作用于由ia il 氖或氖一氖制成的靶丸上， 强激光产生的 高温 ( 约亿度)使原子核得到了充分大的初始动能，能够克服核间静电斥力， 从而发生核聚变。 i c f 将为现有的大规模野外核试验提供一种绝妙的替代办法。 另外，核聚变技术也能使海水中蕴涵的丰富的氖、u 资源为人类提供几乎是取 之不尽、用之不竭的能源.因此，核聚变技术在能源制造方面具有广阔的应用 前景。 目前，美国政府正在建造世界上最大的激光核聚变设施 “ 国家点火装置 困a t i o n a l i g n i t i o n f a c i l i t y简称n i f 装置 ) ” 。 装置 将在0 .3 5 u m波段输出l 8 m j 能 量， 共有1 9 2 路激光， 将耗资 十 几亿美圆 1 q 。 法国 也 在建造兆焦尔级点 火装 置。俄罗斯、日 本、英国、德国等国 家都在进行激光核聚变的研究工作。 我国 在激光核聚变研究方面也 做了 大量的工作， 先后建成了神光 i . 1 1 和 星光i , i i 高功率激光装置， 并在这些装置上做了大量的基础研究工作。 根据当 前的形势和需要， 在总结神光i , i i 和星光i , i i 高功率激光装置工作的基础上， 我国提出了建造6 4 路、 在0 .3 5 u m波段输出6 0 k j 的 神光i i i 高功率激光装置。 i c f用的高功率激光装置，是一项庞大而又复杂的巨型光学工程，其对光 学 元 件的 要 求 无 论 是 质 量 上 还是 数 量上 都 是空 前 的 12 1 。 以n i f装置为 例， 1 9 2 路光束共需约7 5 0 0 件4 2 c m x 4 2 c m以 上尺寸的 大口 径光学元件， 再加上备份元 件和小口 径元件总计共需约3 0 0 0 0 件光学元件。在神光i i i 高功率激光装置中， 根据其概念设计，约需近万件光学元件， 其中2 8 c ,: n x 2 8 c m以上尺寸的大口 径 光学元件的需求量为3 0 0 0 件以 上。 这些大尺寸元件从加工方面来讲， 主要有以 下特点: 1 . 元件精度要求高 四川大学硕士学位论文 在传统的光学元件精度指标中， 仅对元件的面形精度提出了要求， 而在高 功率激光器中要求的是元件的综合精度指标光波波前误差。对反射元件要 求的是反射波前畸变，要求反射波前畸变 p - v a / 4( a = 0 .6 3 2 8 u r n ) ; 对透射 元件要求的是透射波前畸变， 要求透射波前畸变p - v x / 6 。 对于反射元件而言， 可以 通过控制元件的面形精度达到要求的 波前畸变 ( 垂直反射时面形精度应小 于p - v人 / 8 ) 。 对于透射元件不仅要考虑元件的面形精度， 还要考虑元件材料对 加工精度的影响， 在加工中还要对材料造成的误差要采取一定的补偿措施。另 外，高功率激光系统要求光学元件在高通量强激光负载下安全运行，为了提高 元件的抗激光损伤能力和提高光束质量， 对元件的微观表面粗糙度也提出了严 格的要求， 要求元件表面粗糙度r m s 1 .2 n m o 2 . 元件尺寸大 在神光i i i 高 功 率 激光装置中， 最大光 学元件口 径可达6 3 0 m m( 方形或矩 形元件按对角线计算) 。 对于高精度光学元件而言， 这一尺寸将会带来极大的加 工难度。特别要指出的是，这些大尺寸元件均是非圆形件，或者是方形或者是 矩形， 若采用传统的古典加工工艺加工非圆形的球面或非球面元件，将是非常 困难的事。 3 . 大尺寸元件数量巨大 前面我们己经看到，高功率激光装置中对大尺寸高精度光学元件的需求量 是非常大的。我国目 前大尺寸高精度光学的加工水平还比较落后。过去加工大 尺寸高精度光学元件时，主要是以 单件 “ 攻关”的方式，用半年、一年甚至更 长的时间进行加工， 这种加工方式在对时间和成本都有要求的前提下，很难满 足高功率激光装置的建造需求。 如何使高精度大尺寸光学元件特别是大尺寸非球面元件实现高效批量化 加工， 是摆在我国光学制造领域的一个重要课题。 神光m高功率激光装置对光 学元件的技术需求，也是对我国目 前光学制造领域的一次严峻挑战。 发展先进光学制造技术以提高大尺寸高精度光学元件的加工质量和生产 效率， 是确保神光i i i 高功率激光装置工程顺利实施的关键。 光学表面的自 动化 加工技术，是解决这一技术难关的绝佳途径。本课题就是在这样的高技术牵引 背景下提出来的。 四川大学硕士学位论文 1 . 2 国内外研究现状 传统的手工修磨将由于其效率低， 可重复性差等特点而只适合于单件小批 量生产。对于需要大量大口 径、高精度光学元件的工程来说，c c o s技术才是 最佳选择。 c c o s ( c o m p u t e r c o n t r o ll e d o p t ic a l f in i s h in g ) 是 计 算 机 控 制 光学 表面 成 型 技 术的 简 称， 其 技 术 思 想 是由 美国i t e k 公 司的w ik to r j . r u p p 在7 0 年 代 初期 最 先提出的。 这种方法的原理和特点是用一个尺寸比被加工零件小得多的抛光模， 根据定量的面形检测数据，在计算机的控制下，以一定的路线，速度和压力抛 光工件表面。传统的加工方法加工的大口径离轴非球面光学元件往往只能达到 中等精度， 而应用c c o s 技术能在此基础上根据面形信息自 动修抛， 迅速收敛 面形误差，得到高精度的加工结果。 c c o s 的实质是让计算机尽可能地吸取高级光学技术人员的经验， 模仿他 们的操作技巧， 用于光学加工。 c c o s 技术使用的小工具可按非球面曲线运动， 只在需加工的区域内去除多余材料，可在大压力下工作，速度也可很快。对操 作者的经验要求较低， 可重复性更好。而且c c o s 采用计算机数字模拟方式预 测面形和制定加工方案，进行面形修改和加工非球面的方法来替代原先在实际 工件上边试磨边测量的工作方式，不仅可以提高工效和保证质量，在计算机的 模拟过程中还能方便地撤消某几步不恰当的修改操作，而并不产生任何影响， 避免了在实际修改过程中出现失误造成返工的损失。 自c c o s 技术问世以来， 许多相关研究机构便展开了研究， 如美国有亚利 桑 那大学光学中 心 ( o s c ) ， 罗 彻斯大 学光学 制造中 心( c o m) (s ,4 1 , i t e k 公司， t i n s l e y公司，劳伦斯一 利弗莫尔国 家实验室 ( l l n l ) ， 法国的空间光学制造中 心 ( r e o s c ) ,俄罗斯的瓦维洛夫国家光学研究所 ( r i s o )等，随着计算机、 精密测量、 新工艺新材料等技术的发展， c c o s 技术也在不断完善。 i t e k公司起步较早，在 1 9 6 8 年，他们就试制了一台类似x - y绘图仪的计 算 机 控制 抛 光 机 床， 并 在 此机 床 上， 成功 加 工出 非 球 面， 但 精 度不 高 t5 , 7 0 年 代初至8 0 年代中， i t e k 公司的r o b e r t a . j o n e s 在c c o s 的计算机模拟及加t设 备的 优化方面做了 大量工作，改进了机床设备及检测方法，为美国空军加工出 一块直径5 0 0 m m , f / 3 .5 的抛物面反射镜， 面型精度为。 . 0 4 u m ( r m s ) ， 表面粗糙 四 川大学硕士学位论文 度小于5 n m，总加工周期为3 个月。 r o b e rt j o n e s 在a s p d e m建 立的c c o s 数学 模型 基础上， 提出 用卷 积迭代算 法计算磨头驻留函 数的模型， 在以后十几年中一直是c c o s 技术最重要的理论 依据之一。r o b e rt j o n e s对不同 运动方式磨头的加工效果进行大量研究， 提出 c c o s过程中面型误差的收敛条件是磨头的工作函数曲线趋于高斯分布，要产 生这种工作曲线，磨头在自 转同时须绕一有一定偏心量的回转轴作公转运动， 目 前的c c o s 设备基础上普遍采用这种运动方式。 到了八十年代中后期，c c o s 技术随着计算机技术及精密的计量技术的飞 速发展而得到了 进一步的 完善。 i t e k 公司也想把c c o s 发展成为c a d / c a m一 体化、非专家可操作的先进光学制造系统。但到目前为止还不能实现，其主要 原因是由于光学加工工艺的复杂性，使得建立准确、全面描述加工过程的数学 模型 变 得 异 常困 难 6 亚 利桑 那大学光 学中 心的r . e . w a g n e r 和r . a . s h a m e s 等 人 在深入 研究了 c c o s过程中材料去除量的数学模型以及材料的去除机理后给出了研磨阶段计 算p r e s t o n方程中比例常数k的经验公式，为确定c c o s 研磨阶段不同材料的 相对去除量提供了指导。也为进一步建立c c o s 数据库奠定基础。 美国t i n s l e y l a b o r a t o r i e s i n c . 采用极坐标形式的 c c o s机床，对一只4) 1 5 0 m m f / 7 的校正板进行了加工。 最初面形误差为5 a。 抛光后透射波面误差达 到入 / 1 6 ，即0 .0 3 4 u m . 美国a r i z o n a ( 亚 利桑那) 大学光学科学中 心在c c o s 方面做了 很多 工作。 尤其是成功地进行了。1 . 8 m , f 2 .7 大型抛物面镜抛光， 面形精度达0 . 1 1 1 m. 美国p e r k i n - e l m e r ( 帕 金 爱 尔默 ) 公司 从事计 算机控制 抛光自7 0 年代 初己 开始，成果很多， 他们采用x - y型控制机床。加工了中1 . 5 m双曲 面反射镜， 抛光 最终面形均 方 根误 差达0 .0 1 1 1 m . 另 外美国 柯达公司、 罗彻斯特大学的光学研究所也采用c c o s 工艺对一些 大口 径非球面镜进行了抛光实验和加工，并应用到实际加工领域。德国卡尔蔡 司公司、 莱 兹光 学工 厂、 英国 朗 克公司 1 8 等都在此 领域进 行了 研究， 取 得了 很 多成果。 可以说国 外在c c o s 技术发展方面己 进入实用化阶段， 并有商业化设 备可供选用。 国内在这一领域起步较晚， 离国外先进水平尚有差距。大多数非球面加工 四川大学 硕士学位论文 尚 处于传统加工 和手修阶段。 南京紫金山 天文台 较早作了 这方面的实验研究。 他们的c c o s 机床采用极 坐标方式，由单板机磁带控制小工具环带修抛研磨。自 动化程度尚不高，面形 测量装置也不完善。 他们在此机床上加了一个( 1 ) 8 0 m m凸抛物面钢质磨具，研 磨和带区修改时采用3 0 3 # 金刚砂。 抛光时用软抛光柏油三氧化络粉液。 最终实 测面形r m s 2 . 5 i t m , p - v 7 .3 a ma 南京天文仪器厂在c c o s 方面也做过实验。 他们是采用控制极坐标方式的 p - 0 机 构 ， 工 具 环 带 修 磨 ， 工 件 旋 转 。 在 控 制 软 件 方 面 做 过 探 讨 。 但 尚 未 见 用 此机构加工出非球面的显著成果。 长春光学精密机械研究所经过三年的努力， 终于设计并加工出了国内首台 集铣磨成型、精细磨、抛光及在线检测于一体的四轴联动非球面加工机床 f s g j - 1 。 在该机床上可以 完成从铣磨成型、内 孔磨边、倒角、 粗细磨直到抛光 的一整套加工过程。其铣磨精度为1 0 . 0 2 m m，抛光精度为:面形误差小于r m s x i 2 0 。曾在该机床上成功加工出一面。 2 0 0 m r ,。 的抛物镜，面形精度r m s a / 2 0 0 通过大量工艺实验， 加工出一个超光滑表面， 其表面粗糙度r m s 2 n r n ， 与美国i t e k 公司的加工结果出于同一水平。他们在这方面是国内做得最好的。 此外， 北京理工大学、浙江大学也在这方面做了 很多工作， 取得了许多进 展 1 9 表1 - 1 和1 - 2 中列出了国内同国 外在c c o s 方面的研究成果的比较. c c o s 的进步意味着能在大大降低成本提高效率的基础上，加工出 有很高精度的非球 面镜。不但用于大型天文望远镜，也用于红外及短波段的反射光学成像系统， 还用于光盘光学聚焦透镜。 表. 1 - 1 国内外.d : l 机床的功能比 较 公司或 机器名称 在线检 测装置 工件最 大直径 离轴非球 面 工作轴数 量 i te k美国 ) 有4 m能 5 r e o s c ( 法国 ) 没有4 m自 eg 5 r i s o ( 俄罗 斯 ) 没有 1 . 5 m育 台3 f s gj - 1有0 . 8 m自 旨 4 浙江大学有 0 . 3 m不能 2 由于国内在c c o s 技术上落后于世界先进水平， 因此在数控抛光工艺方面 四川大学硕士学位论文 的 研究也开展的 较少，多数只是处于试验摸索阶段。而国外如美、德、俄、法 等国己形成一整套成熟工艺。 但因为各个国家在工艺方面互相保密，所以每个 国家都有自己的一套工艺。 表. 1 一 2 加工精度比 较 公司或 机器名称 机床精度 ( u m ) 研磨精度 ( r m s 11 m ) 抛光精度 ( r i n s u m) 表面粗糙 度( n m ) i t e k ( 美国 ) 80 . 20 . 0 2 52 r e o s c ( 法国 ) 1 00 . 50 .0 82 r i s o ( 俄罗 斯 ) 1 00 . 50 . 0 3 5 f s gj - 11 00 . 50 . 0 3 2 浙江大学 0 . 1 2 5 1 . 3 本论文的主要研究内容 用于研究惯性约束聚变的神光 m 装置，其光学系统需要数千件的大口径 高精度光学元件， 特别是对非球面光学元件需求数量多， 我国目 前还基本上依 靠丰富经验的高级技术工人进行手工修磨。对于方形的非球面在国内还没有这 方面的加工经验。 为适应神光m对光学元件的技术和批量要求， 作为神光m工程支撑单位 之一的成都精密光学工程研究中心，从俄罗斯引进了数台c c o s 机床。 如何全 面消化吸收引进设备及技术，充分发挥其效能，是目前的当务之急。同时从引 进设备本身来讲， 虽然具备了一定的先进性， 但与美国等西方国家的设备相比， 仍有很大差距，经验的成分太多，为了能够改变这种状况，本论文进行了深入 的研究。高精度的光学加工是以高精度的光学检测为基础的，本研究中的光学 检测方面的工作都是在wy k o和z y g o千涉仪上完成的，为能更有效地利用 高精度的干涉检测结果指导数控抛光，本论文作了大量工作。论文主要研究工 作包括以下几个方面: 1 . 对c c o s 技术原理进行系统地研究与分析; 2 . 全面消化和吸收a d - 1 0 0 0 和a d 4 5 0 机床的结构和控制原理; 3 . 建立适合现有检测手段的工艺路线和工艺程序。 4 ， 高径厚比元件抛光技术研究 5 . 将c c o s 应用于随机波前校正板研究 6方形非球面聚焦透镜抛光实验研究 6 四川大学硕士学位论文 参考文献 1 j . m u r r a y , d . c o r r e l l , j . c a r p e n t e r , e t a l . i c f q u a rt e r l y r e p o r t - 1 9 9 7 . u c r l - l r - 1 0 5 8 2 1 l l n l , 1 9 9 7 2 1 j o a n n b e r m a n , d a v i d b . v al e n t i n e , f a b r i c a t i o n a n d t e s t i n g o f l a s e r o p t i c s : a n o v e r v i e w , s p i e , 1 9 8 6 , v o l 6 0 7 , 4 6 - 5 3 3 h a rv e y m . p o l li c o v e , d u n c a n t . m o o r e , p r o c e s s s c ie n c e d e v e l o p m e n t a t t h e c e n t e r f o r o p t i c s m a n u f a c t u r i n g , s p i e , 1 9 9 1 , v o 1 . 1 5 3 1 , 1 8 3 - 1 8 6 4 1 h a r v e y m . p o l l i c o v e , d u n c a n t . m o o r e , t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t a t t h e c e n t e r f o r o p t i c s ma n u f a c t u r i n g , s p i e , 1 9 9 1 , v o l . 1 5 3 1 , 1 7 4 - 1 7 8 5 r o n a l d a s p d e n , r al p h m c d o n o u g h , f r a n c i s r . n i t c h i e , j r ., c o m p u t e r a s s i s t e d o p t i c a l s u r f a c i n g , a p p l i e d o p t i c s , 1 9 7 2 , v o l . l l , n o - 1 2 , 2 7 3 9 - 2 7 4 7 6 j o e d . t i p p s , w al t e r c z a j k o w s k i , a c o m p u t e r in t e g r a t e d m a n u f a c t u r in g s y s t e m f o r o p t i c a m, 1 9 9 1 , s p i e , v o l . 1 5 3 1 , 1 8 7 - 1 9 4 四川大学硕士学位论文 第二章 c c o s 抛光理论 2 , 1 光学玻璃的抛光机理 抛光是玻璃冷加工的精加工阶段， 是在研磨已经保证了准确的几何形状和 尺寸以及有利于后续抛光的表面状态的基础上， 获得透明、光泽且有较高精度 的光滑的光学表面的加工过程。 传统的抛光过程是将抛光剂加在抛光模与零件 表面之间，借助二者的相对运动，使零件逐渐抛光成具有一定面形精度和表面 质量的光学表面。 在长期的实践认识中， 人们从不同角度探索玻璃抛光的实质。关于玻璃抛 光有以 下三种学说，即 机械学说、 化学学说和流变学说1 ，2 。 1 .机械学说: 机械学说的实质是把抛光过程看作研磨过程的继续，在本质上是一致的。 这种作用是最基本的。其根据有: 1 ) 抛光表面有起伏现象，即在强光源斜射到抛光面上， 用2 4 0 0 倍显微镜 或电子显微镜观察此面时，可发现有明暗的区分。故此有起伏层，其厚度 ( 用 氧化饰抛光)为3 0 - 9 0 11 m. 2 )当磨料很细，且加工压力很小时，磨料也能作抛光剂。 3 ) 抛 光粉颗粒 直径 在一定 范围内 ， 抛光效率与抛光 粉颗粒大小成直线关 系。 4 )抛光速度和压力对抛光有很大的影响。在一定条件下，抛光效率与抛 光速度、压力近似成直线关系，故此加工可向高速高压的方向发展。 另一方面， 抛光也可看作一种特殊的切削过程， 即抛光粉颗粒部分镶嵌入 柔性的抛光盘中， 而未完全嵌入的部分就如切削刀具在加工表面作切削作用。 2 化学学说: 化学因素对抛光效率有很重要的关系。其根据有: 1 ) 水 在 抛 光 过 程中 起 着 重 要 作 用 它 可 使 玻 璃 表 面 发 生 水 解， 形 成 一 层硅胶保护性薄膜，强度很高， 不易破碎，但比玻璃本体软一些。 在加工过程 中，抛光模和抛光剂颗粒，随时从玻璃凸凹层的突出峰部去除膜层，而新的膜 层又随即产生，这样周而复始不断进行，直到表面完全平整为止。 2 ) 抛光模的化学作用抛光柏油中的树脂酸和玻璃中的碱金属或碱土 四川大学硕士学位论文 金属离子发生作用， 促使玻璃表面形成硅胶层， 加速了 玻璃的 抛光效果。 使用 毛毡作抛光模时， 动物性纤维中含有各种高分子晶态蛋白 质，水解后得出氨基 酸 ( - n h 2 和一 c o o h ) ， 既能与玻璃中的阴离子起作用， 也能与玻璃中的阳离子 起作用， 所以毛毡抛光效率较高 ( 对去麻点而言) 。 3 ) 抛光剂的化学作用不同结晶和不同晶格缺陷的抛光剂有不同的抛 光效果。抛光剂在其晶格缺陷表面和新裂的表面或断 层显现活化点，在它们暴 露的瞬间，若与玻璃表面产生分子接触，就能在分子的范围内去除玻璃材料。 4 ) 抛光液酸碱度 ( p h值) 的 影响 某些实 验和 分析结 果认为 抛光液的 p h值 在3 - 9 ， 对抛光 效 率有利。 5 ) 抛光液中添加剂的影响在抛光剂中 添加某种电 介质，可加速或延 缓抛光速度。 6 )玻璃化学成分的影响在一定条件下，抛光效率与玻璃的化学稳定 性成直线关系。 3 .流变学说: 流变学说的实质是认为玻璃在抛光过程中， 被抛光玻璃表面上的分子有流 动现象，或称重新流布。其流动的原因有: l )由于摩擦热而引起的热塑性流动和热熔化流动 在抛光过的玻璃表 面上，用金刚石刻刀刻出图案痕迹，再进行抛光，抛去图案痕迹后，再用氢氟 酸腐蚀，结果，原来的图案又明显地呈现出 来， 这说明抛光过程并没有把图案 完 全抛 去， 只是由 于玻 璃表 面分 子的 流动而 把刻痕 掩盖 起来; 2 )由于化学作用引起的分子流动一 一 在很多情况下抛去玻璃的重量与抛 去玻璃的厚度不能直接相对应，往往是抛去玻璃的重量小于抛去厚度所对应的 重量，这说明有的玻璃分子流动到研磨表面的凹凸 层底部去了。 以上三种学说都有一定的实践结果为依据，都可为光学加工服务， 但都存 在片面性。离开具体的加工条件，不能说明哪种作用是主要的。从高速抛光来 看， 可以认为机械作用是基本的， 化学作用是重要的，而流变现象是存在的。 大量的研究数据表明， 磨料的 性质和粒度， 研磨盘的压强和转速， 研磨盘 所用的材质， 冷却液的成分， 工件表面粗糙度是影响研磨效率的主要工艺参数。 同时，抛光剂的种类，抛光液的供给量，抛光液的浓度， 抛光液的p h值，抛 光压强和机床速度，以 及温度， 抛光盘材料和精磨后的表面质量都对抛光效率 四川大学硕士学位论文 有明显的影响。 2 . 2 c c o s 技 术的 理 论基 础， 2 . 2 . 1 普林斯顿 ( p r e s t o n ) 假设 抛光是一个复杂的有许多因素决定的加工过程，一般很难找到表面去除量 和那些描述抛光模、 抛光材料以及抛光模运动等各种参数之间的正确数学关系。 为了便于分析和控制，可以做一些假设并固定那些不容易量化的参数，使抛光 过程可以 被描述成一个线性的，只随抛光模的位置变化而变化的过程。 为了探明光学加工中研磨和抛光的效率与工艺参数之间的较为明确的关 系， 普林斯顿于1 9 2 7 年提出了 著名的p r e s t o n 假设。普林斯顿指出，在很大的 数值范围内，抛光可以描述成一个线性方程 竺二 k p v d t ( 2 - 1 ) 式中，k为比例常数，由除速度和压力以外的其他因素所决定，v为表面某一 点( x , y ) 在t 时刻的 抛光速度， v = v ( x ,y ,t ) , p 为该点 在t 时刻的压力， p = p ( x ,y ,t ) o 因此，当我们知道了某一点的速度和压力，以及作用的时间 t ，就可以计 算出表面材料的去除量oh 4 h ( x , y ) = 4 h ( x , y ) = k 工 v (x , y , t) p ( x , y , t) d t h o ( x , 力一 h ( x , y ) 式中: h o ( x ,y ) 是时间t = 0 时的 表面高度， h ( x ,y ) 是时间为t 时的表面高 度。 由方程2 - 2 可知，理论上可以通过分别或综合控制研磨抛光压强、研磨抛 光工具在工件上各处的驻留时间，以 及研磨抛光盘对工件的相对速度来达到控 制材料去除量的目 的。尽管已有采用改变局部压强的方式抛光薄镜面的报道， 然而目 前最常用的方法仍是在保持压强和相对速率不变的情况下，通过改变驻 留时间，经过多次迭代，逐步使面形收敛。这是因为时间和去除量的线性范围 较大，并且采用控制驻留时间方法的控制系统、工艺实验都比较容易实现。本 文也是采用这种方法。 但在具体运用p r e s t o n方程时应注意以下几点: ( 1 ) p r e s t o n方程仅仅是一个经验性质的假设。大量的实验证明，就研磨 t o 四川大学硕士学位论文 而言，此假说基本正确;但在抛光时，此方程只在有限的精度范围内有效; ( 2 ) 在加工过程中， 工件材料被去除的同时， 磨盘或抛光盘本身的磨损 不可避免，因 而其去除特性会发生变化: ( 3 ) 在加工中， 各种工艺参数实际上很难保持恒定不变。 2 . 2 . 2 c c