大口径非球面精密加工技术综述

赵蒙

【摘要】大口径非球面镜具有成像质量高、体积小、重量轻的特点，随着天文科技的发展,对大口径、高精度的非球面反射镜的需求不断增加。然而大口径非球面的应用主要局限于它的加工比球面要困难的多。介绍了国内外大口径非球面精密加工技术的发展。对计算机非球面表面成型技术、应力抛光技术、磁流变抛光技术、离子束抛光技术等非球面加工技术进行了综述。

【关键词】大口径非球面；精密加工；技术

0引言

大口径光学系统具有角分辨能力高，能量收集能力强的特点，被广泛的应用在热核聚变、强激光武器发射系统、空间通讯系统、天体观察等诸多领域中。大口径的非球面主镜是其中的核心器件，起着球面无法替代的作用[1]。然而,非球面的应用主要局限于它的制造和检测，比球面要困难的多,因此要想广泛地将非球面应用于光学系统中,首先必须解决的就是精密加工的诸多问题。从加工的角度看，大口径非球面的加工具有偏离量大，材料去除量大的特点，目前广泛用于中小口径非球面加工的采用小磨头的计算机非球面表面成型技术（Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS）的材料去除效率不能满足大口径非球面的加工需求。

1大口径非球面元件加工技术

从十九世纪七八十年代开始，在计算机技术及激光干涉技术的推动下，出现了采用计算机控制的采用小磨头的计算机表面成型技术，在这之后又发展出具有更高确定性的磁流变技术及离子束技术，以及适用于大口径加工的应力盘技术和应力抛光技术等，使得大口径非球面的加工效率得到大幅度的提高，为光学技术的发展提供了技术支持。

1.1计算机非球面表面成型技术（Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS）

计算机光学表面成型技术是对采用数控技术进行非球面表面成型加工的一类技术的总称，它是使用现代技术对传统光学加工工艺的量化模拟，它的加工原理是根据定量的面形检测数据，在虚拟加工过程控制模型的基础上，用计算机控制一个尺寸小于工件的工作头(直径通常小于工件直径的1/5),对光学零件进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面不同位置的驻留时间（也就是加工时间）等参数来控制镜面不同位置的材料去除量，从而达到修正镜面面形误差的目的。与人工修磨相比，计算机表面成型技术具有更高的精度和重复性，可以得到更高的面形收敛率，因此可以显著的缩短非球面特别是大口径非球面的加工时间，提高生产效率。

虽然CCOS技术已取得了很大的进展,但材料去除效率不能满足大口径非球面的加工需求。目前CCOS技术面临的主要问题有:

（1）工艺条件的复杂性使得实际误差收敛曲线与理论之间存在较大的差别,误差收敛的速度没有想象的快,因此如何对加工过程进行优化以提高CCOS的效率是问题的关键。

（2）为使CCOS技术做到真正的非专家可操作,需要建立完整的CCOS加工数据库及专家系统。而这方面目前还缺乏合理有效的数学模型。

（3）由于CCOS技术采用小磨头,加工后表面误差的结构与传统方法加工出的表面有所不同,中、高频误差相对较大,目前虽然提出了评价该类误差的新方法,但如何将其应用到CCOS加工中去是需要解决的问题。另外此类误差对系统成像质量的影响还需进一步地研究。

1.2应力抛光技术(Stress Lap Polishing)[2]

应力抛光技术出现于20世纪80年代。它利用主动变形技术,使抛光盘在对非球面光学表面进行抛光的过程中,通过计算机控制实时改变抛光盘的形状,使其符合理论非球面面形。进而将被加工球面向标准非球面修正。实质上应力抛光技术也是一种子口径抛光技术(Sub aperture Polishing Lap),是对CCOS技术的补充。

到目前为止有报道的采用应力抛光方法的最大成就为10m Keck 望远镜主镜的86块子镜的加工，与之前采用的应力抛光不同的是，Keck主镜的子镜均为离轴非球面镜，即镜面面形不再是对称的，这是之前的应力抛光技术所加工不了的。Lubliner和Nelson在1980年报道了他们关于离轴非球面与其最接近球面的面形差异的计算及通过在镜面周围施加力和力矩的方法来产生该面形差异的方法。并采用一块360mm的反射镜加工为偏离量为9.9μm RMS的离轴抛物面，通过两次加工循环，镜面面形精度达到0.03μm RMS，收敛效率十分惊人，实验证明采用应力抛光技术可以非常有效的用于圆形离轴非球面的加工，之后在KPNO望远镜主镜的加工中，取得了非常的成功。但由于Keck望远镜采用的是六边形主镜，ITEK公司采用了首先使用应力抛光法将圆形母镜加工为离轴非球面之后，采用水切割将圆形反射镜切割刀最后需要的六边形外形，由于在切割的过程中镜体内部的应力释放，镜面发生大约200nmRMS的形变，ITEK公司采取了在多点支撑结构中安装弹簧给镜面施加校正力的方式主动的校正镜的面形，在后期的报道中采用了离子束抛光的方式来矫正镜面的残余误差，具有非常光滑的表面和收敛效率。其中使用应力抛光将镜面加工到200nm RMS的面形精度，用时6周，效率相当惊人。

1.3磁流变抛光技术(Mag netorheological Finishing)[3]

Mag netorheological Finishing(MRF)技术出现于20世纪90年代初期,由W. I. Kordonski, I. V.Prokhorov 及其合作者将电磁学与流体动力学理论相结合并应用于光学加工中。1995年美国Rochester学的光学加工中心(COM)利用MRF技术开始研制具有实用性、商业型的MRF光学加工设备。磁流变抛光是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Bingham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,从而使工件表面材料被去除。所谓数控MRF技术就是通过计算机控制抛光轨迹、抛光驻留时间以磁流变液在磁场中形成的缎带凸起为抛光头来完成对面形误差的修正。

与传统抛光方法相比,MRF具有以下优点:（1）抛光盘无磨损,抛光特性稳定;（2）可以制造复杂形状的表面,如球面、非球面及非对称的自由曲面。

同时MRF技术也存在以下缺点:MRF技术可以抛光任意曲率半径的凸曲面,但不能加工曲率半径较小的凹曲面。例如：当前COM制造的MRF数控抛光机的抛光毂轮最小直径为25mm;另外应用MRF技术修抛时,由于材料的抛去量较小,对被修正表面的面形精度要求较高,一般精度在1~2波长之间。因此在应用MRF前,被抛光表面需要采用传统工艺进行预抛光处理。

目前，长春光机所已经研制成功磁流变技术并完成了相关的工艺试验，试验采用直径80mm的平面SiC材料的进行了工艺试验，通过在平面基地上抛光后产生PV:1.68,RMS:0.36的像散，输入与输出在数值上的差异为PV12%、RMS5.8%。实验结果表明磁流变抛光的去除函数的稳定性能够达到95%以上，能够实现90%以上的确定性加工，优于“小磨头”技术所能达到的80%的去除稳定性，为SiC材料的确定性高效高精度去除提供了基础。

1.4离子束抛光(Ion Beam Milling)

离子束抛光技术被国内外广泛认为是现代光学加工技术中最具革命性的创新之一，它将光学加工在抛光阶段的收敛率提高了一个数量级以上，显著的提高了光学加工的确定性及抛光的精度。离子束抛光技术在1988年最先被Wilson，Reicher和McNeill提（下转第39页）（上接第5页）出，之后于1990年Eastman Kodak 公司最先研制出了原理样机并做了大量的工艺试验。与传统接触式加工不同的是，离子束抛光在真空条件下使用高能的离子轰击光学反射镜表面，从而实现原子量级的材料去除，在加工的过程中没有任何物体和镜面发生直接接触，因此去除函数非常稳定，且不受镜面外形、镜面面形的影响，其加工精度仅仅受检测精度的限制，是CCOS小磨头技术的完善。