趙蒙

【摘要】大口徑非球面鏡具有成像質(zhì)量高、體積小、重量輕的特點(diǎn)，隨著天文科技的發(fā)展,對(duì)大口徑、高精度的非球面反射鏡的需求不斷增加。然而大口徑非球面的應(yīng)用主要局限于它的加工比球面要困難的多。介紹了國(guó)內(nèi)外大口徑非球面精密加工技術(shù)的發(fā)展。對(duì)計(jì)算機(jī)非球面表面成型技術(shù)、應(yīng)力拋光技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)等非球面加工技術(shù)進(jìn)行了綜述。

【關(guān)鍵詞】大口徑非球面；精密加工；技術(shù)

0引言

大口徑光學(xué)系統(tǒng)具有角分辨能力高，能量收集能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在熱核聚變、強(qiáng)激光武器發(fā)射系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、天體觀察等諸多領(lǐng)域中。大口徑的非球面主鏡是其中的核心器件，起著球面無法替代的作用[1]。然而,非球面的應(yīng)用主要局限于它的制造和檢測(cè)，比球面要困難的多,因此要想廣泛地將非球面應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中,首先必須解決的就是精密加工的諸多問題。從加工的角度看，大口徑非球面的加工具有偏離量大，材料去除量大的特點(diǎn)，目前廣泛用于中小口徑非球面加工的采用小磨頭的計(jì)算機(jī)非球面表面成型技術(shù)（Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS）的材料去除效率不能滿足大口徑非球面的加工需求。

1大口徑非球面元件加工技術(shù)

從十九世紀(jì)七八十年代開始，在計(jì)算機(jī)技術(shù)及激光干涉技術(shù)的推動(dòng)下，出現(xiàn)了采用計(jì)算機(jī)控制的采用小磨頭的計(jì)算機(jī)表面成型技術(shù)，在這之后又發(fā)展出具有更高確定性的磁流變技術(shù)及離子束技術(shù)，以及適用于大口徑加工的應(yīng)力盤技術(shù)和應(yīng)力拋光技術(shù)等，使得大口徑非球面的加工效率得到大幅度的提高，為光學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

1.1計(jì)算機(jī)非球面表面成型技術(shù)（Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS）

計(jì)算機(jī)光學(xué)表面成型技術(shù)是對(duì)采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行非球面表面成型加工的一類技術(shù)的總稱，它是使用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)加工工藝的量化模擬，它的加工原理是根據(jù)定量的面形檢測(cè)數(shù)據(jù)，在虛擬加工過程控制模型的基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)控制一個(gè)尺寸小于工件的工作頭(直徑通常小于工件直徑的1/5),對(duì)光學(xué)零件進(jìn)行研磨或拋光，通過控制磨頭在工件表面不同位置的駐留時(shí)間（也就是加工時(shí)間）等參數(shù)來控制鏡面不同位置的材料去除量，從而達(dá)到修正鏡面面形誤差的目的。與人工修磨相比，計(jì)算機(jī)表面成型技術(shù)具有更高的精度和重復(fù)性，可以得到更高的面形收斂率，因此可以顯著的縮短非球面特別是大口徑非球面的加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

雖然CCOS技術(shù)已取得了很大的進(jìn)展,但材料去除效率不能滿足大口徑非球面的加工需求。目前CCOS技術(shù)面臨的主要問題有:

（1）工藝條件的復(fù)雜性使得實(shí)際誤差收斂曲線與理論之間存在較大的差別,誤差收斂的速度沒有想象的快,因此如何對(duì)加工過程進(jìn)行優(yōu)化以提高CCOS的效率是問題的關(guān)鍵。

（2）為使CCOS技術(shù)做到真正的非專家可操作,需要建立完整的CCOS加工數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)。而這方面目前還缺乏合理有效的數(shù)學(xué)模型。

（3）由于CCOS技術(shù)采用小磨頭,加工后表面誤差的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)方法加工出的表面有所不同,中、高頻誤差相對(duì)較大,目前雖然提出了評(píng)價(jià)該類誤差的新方法,但如何將其應(yīng)用到CCOS加工中去是需要解決的問題。另外此類誤差對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響還需進(jìn)一步地研究。

1.2應(yīng)力拋光技術(shù)(Stress Lap Polishing)[2]

應(yīng)力拋光技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代。它利用主動(dòng)變形技術(shù),使拋光盤在對(duì)非球面光學(xué)表面進(jìn)行拋光的過程中,通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)改變拋光盤的形狀,使其符合理論非球面面形。進(jìn)而將被加工球面向標(biāo)準(zhǔn)非球面修正。實(shí)質(zhì)上應(yīng)力拋光技術(shù)也是一種子口徑拋光技術(shù)(Sub aperture Polishing Lap),是對(duì)CCOS技術(shù)的補(bǔ)充。

到目前為止有報(bào)道的采用應(yīng)力拋光方法的最大成就為10m Keck 望遠(yuǎn)鏡主鏡的86塊子鏡的加工，與之前采用的應(yīng)力拋光不同的是，Keck主鏡的子鏡均為離軸非球面鏡，即鏡面面形不再是對(duì)稱的，這是之前的應(yīng)力拋光技術(shù)所加工不了的。Lubliner和Nelson在1980年報(bào)道了他們關(guān)于離軸非球面與其最接近球面的面形差異的計(jì)算及通過在鏡面周圍施加力和力矩的方法來產(chǎn)生該面形差異的方法。并采用一塊360mm的反射鏡加工為偏離量為9.9μm RMS的離軸拋物面，通過兩次加工循環(huán)，鏡面面形精度達(dá)到0.03μm RMS，收斂效率十分驚人，實(shí)驗(yàn)證明采用應(yīng)力拋光技術(shù)可以非常有效的用于圓形離軸非球面的加工，之后在KPNO望遠(yuǎn)鏡主鏡的加工中，取得了非常的成功。但由于Keck望遠(yuǎn)鏡采用的是六邊形主鏡，ITEK公司采用了首先使用應(yīng)力拋光法將圓形母鏡加工為離軸非球面之后，采用水切割將圓形反射鏡切割刀最后需要的六邊形外形，由于在切割的過程中鏡體內(nèi)部的應(yīng)力釋放，鏡面發(fā)生大約200nmRMS的形變，ITEK公司采取了在多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)中安裝彈簧給鏡面施加校正力的方式主動(dòng)的校正鏡的面形，在后期的報(bào)道中采用了離子束拋光的方式來矯正鏡面的殘余誤差，具有非常光滑的表面和收斂效率。其中使用應(yīng)力拋光將鏡面加工到200nm RMS的面形精度，用時(shí)6周，效率相當(dāng)驚人。

1.3磁流變拋光技術(shù)(Mag netorheological Finishing)[3]

Mag netorheological Finishing(MRF)技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代初期,由W. I. Kordonski, I. V.Prokhorov 及其合作者將電磁學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合并應(yīng)用于光學(xué)加工中。1995年美國(guó)Rochester學(xué)的光學(xué)加工中心(COM)利用MRF技術(shù)開始研制具有實(shí)用性、商業(yè)型的MRF光學(xué)加工設(shè)備。磁流變拋光是利用磁流變拋光液在磁場(chǎng)中的流變性進(jìn)行拋光,在高強(qiáng)度的梯度磁場(chǎng)中,磁流變拋光液變硬,成為具有粘塑性的Bingham介質(zhì),并形成緞帶凸起。當(dāng)這種介質(zhì)流經(jīng)工件與運(yùn)動(dòng)盤形成的很小空隙時(shí),在工件表面與其接觸的區(qū)域上產(chǎn)生很大的剪切力,從而使工件表面材料被去除。所謂數(shù)控MRF技術(shù)就是通過計(jì)算機(jī)控制拋光軌跡、拋光駐留時(shí)間以磁流變液在磁場(chǎng)中形成的緞帶凸起為拋光頭來完成對(duì)面形誤差的修正。

與傳統(tǒng)拋光方法相比,MRF具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）拋光盤無磨損,拋光特性穩(wěn)定;（2）可以制造復(fù)雜形狀的表面,如球面、非球面及非對(duì)稱的自由曲面。

同時(shí)MRF技術(shù)也存在以下缺點(diǎn):MRF技術(shù)可以拋光任意曲率半徑的凸曲面,但不能加工曲率半徑較小的凹曲面。例如：當(dāng)前COM制造的MRF數(shù)控拋光機(jī)的拋光轂輪最小直徑為25mm;另外應(yīng)用MRF技術(shù)修拋時(shí),由于材料的拋去量較小,對(duì)被修正表面的面形精度要求較高,一般精度在1~2波長(zhǎng)之間。因此在應(yīng)用MRF前,被拋光表面需要采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行預(yù)拋光處理。

目前，長(zhǎng)春光機(jī)所已經(jīng)研制成功磁流變技術(shù)并完成了相關(guān)的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)采用直徑80mm的平面SiC材料的進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，通過在平面基地上拋光后產(chǎn)生PV:1.68,RMS:0.36的像散，輸入與輸出在數(shù)值上的差異為PV12%、RMS5.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磁流變拋光的去除函數(shù)的穩(wěn)定性能夠達(dá)到95%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)90%以上的確定性加工，優(yōu)于“小磨頭”技術(shù)所能達(dá)到的80%的去除穩(wěn)定性，為SiC材料的確定性高效高精度去除提供了基礎(chǔ)。

1.4離子束拋光(Ion Beam Milling)

離子束拋光技術(shù)被國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)為是現(xiàn)代光學(xué)加工技術(shù)中最具革命性的創(chuàng)新之一，它將光學(xué)加工在拋光階段的收斂率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，顯著的提高了光學(xué)加工的確定性及拋光的精度。離子束拋光技術(shù)在1988年最先被Wilson，Reicher和McNeill提（下轉(zhuǎn)第39頁(yè)）（上接第5頁(yè)）出，之后于1990年Eastman Kodak 公司最先研制出了原理樣機(jī)并做了大量的工藝試驗(yàn)。與傳統(tǒng)接觸式加工不同的是，離子束拋光在真空條件下使用高能的離子轟擊光學(xué)反射鏡表面，從而實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)的材料去除，在加工的過程中沒有任何物體和鏡面發(fā)生直接接觸，因此去除函數(shù)非常穩(wěn)定，且不受鏡面外形、鏡面面形的影響，其加工精度僅僅受檢測(cè)精度的限制，是CCOS小磨頭技術(shù)的完善。