徐 超，彭小強(qiáng)*，戴一帆

復(fù)雜曲面鋁反射鏡超精密制造現(xiàn)狀

徐 超1,2，彭小強(qiáng)1,2*，戴一帆1,2

1國防科技大學(xué)裝備綜合保障國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410073；2國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073

由于復(fù)雜曲面鋁反射鏡所具有的獨(dú)特優(yōu)勢，其在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。但是只采用超精密車削加工的光學(xué)反射鏡精度受到超精密車削加工“誤差復(fù)映”的限制，只能滿足紅外系統(tǒng)應(yīng)用需求，其應(yīng)用的進(jìn)一步推廣遭遇瓶頸。采用超精密車削、磁流變拋光、計(jì)算機(jī)控制表面成形(CCOS)的組合加工工藝，并結(jié)合復(fù)雜光學(xué)曲面的計(jì)算全息圖法(CGH)面形檢測技術(shù)，可以進(jìn)一步提升鋁反射鏡的面形精度，滿足可見光系統(tǒng)的應(yīng)用需求，為復(fù)雜曲面鋁合金反射鏡的推廣奠定了制造基礎(chǔ)。

復(fù)雜曲面；鋁反射鏡；超精密車削；拋光；計(jì)算全息圖法(CGH)

1 引 言

復(fù)雜光學(xué)曲面能夠簡化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減輕系統(tǒng)質(zhì)量、提供更加靈活的系統(tǒng)布局、擁有更高的設(shè)計(jì)自由度，用少數(shù)復(fù)雜曲面元件就能夠代替多個(gè)傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)曲面元件，因此復(fù)雜曲面成為反射鏡面發(fā)展的重要方向[1]。相較于熔石英、光學(xué)玻璃、單晶硅和碳化硅等傳統(tǒng)的光學(xué)材料，鋁及其合金用作光學(xué)元件具有許多優(yōu)點(diǎn)[2-3]：1) 材料可加工性好、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面制造。鋁反射鏡能夠使用已有的車削、銑削等成熟制造工藝，快速加工出鏡體的基體結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮鋁材料易于成型的優(yōu)勢。2) 可實(shí)現(xiàn)高輕量化率。鋁合金材料不但密度低，且有著良好的可加工性。利用車削銑削就可以快速準(zhǔn)確地完成對(duì)常規(guī)減重孔的加工制造，實(shí)現(xiàn)高輕量化率。3) 無熱化的光機(jī)一體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。光學(xué)系統(tǒng)的安裝支撐結(jié)構(gòu)和反射鏡鏡體可采用同種鋁合金材料，避免了傳統(tǒng)光機(jī)系統(tǒng)中使用多種材料導(dǎo)致材料膨脹系數(shù)不一致帶來的熱應(yīng)力和應(yīng)變，對(duì)保持光學(xué)系統(tǒng)性能的長期穩(wěn)定有重要意義。尤其適合在溫差變化較大的環(huán)境下工作的光學(xué)系統(tǒng)。此外，鋁合金特別是鋁反射鏡材料還有價(jià)格低廉、采購方便等優(yōu)點(diǎn)。

因此，復(fù)雜曲面鋁反射鏡在光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用中具有十分廣闊的前景。例如，由英國航天技術(shù)中心(UK Astronomy Technology Center，UKATC)設(shè)計(jì)的SCUBA-2紅外相機(jī)，其光學(xué)系統(tǒng)一共采用了九塊自由曲面鋁鏡，相比于其前一代產(chǎn)品SCUBA-1結(jié)構(gòu)更加緊湊，掃描速度提高了上千倍，相機(jī)視場角提升了12倍[4-5]。2015年德國夫瑯和費(fèi)應(yīng)用光學(xué)和精密機(jī)械研究所(IOF)研制的離軸反射光學(xué)系統(tǒng)中的反射元件均為自由曲面鋁反射鏡，工作于長波紅外波段(6 μm~13 μm)，成像質(zhì)量達(dá)到衍射極限[6]。2018年國防科技大學(xué)李信磊針對(duì)加工復(fù)雜曲面鋁反射鏡時(shí)拋光工具與被加工曲面難以貼合、材料去除不可控等問題，制定了復(fù)雜曲面鋁反射鏡拋光的工藝路線，最終加工得到面形精度PV 0.247、表面質(zhì)量RMS 0.040(=632.8 nm)的自由曲面鋁反射鏡[1]。

復(fù)雜曲面鋁反射鏡促進(jìn)了光學(xué)系統(tǒng)的快速發(fā)展，但同時(shí)也給制造與檢測帶來了挑戰(zhàn)。特別是高質(zhì)量的復(fù)雜曲面鋁反射鏡，加工與檢測技術(shù)的相對(duì)滯后阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。本文對(duì)國內(nèi)外復(fù)雜曲面鋁合金反射鏡超精密加工技術(shù)和檢測方法等研究成果進(jìn)行了介紹與分析，為今后復(fù)雜曲面鋁反射鏡的研究提供了借鑒和思考。

2 復(fù)雜曲面鋁反射鏡SPDT車削技術(shù)

復(fù)雜曲面光學(xué)元件的廣泛應(yīng)用，對(duì)光學(xué)元件加工技術(shù)的快速發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。上世紀(jì)60年代美國的Union Cardie公司制造了一臺(tái)配備金剛石刀具的超精密車削機(jī)床，其對(duì)一個(gè)直徑為101.6 mm的鋁合金半球面進(jìn)行加工，得到的形狀精度0.6 μm、表面粗糙度Ra 25 nm，這也是首次步入微米精度的加工。此后，美國的Moore公司、Precitech公司，德國的LT公司，荷蘭的Phillips公司等相繼開發(fā)了配備金剛石刀具的超精密車削車床，美國勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)研制的DTM-3大型超精密機(jī)床可以加工Ф2100 mm，質(zhì)量4500 kg的工件[7]。在鋁合金反射鏡的加工中，超精密車削加工常采用單點(diǎn)金剛石車削(single point diamond turning, SPDT)技術(shù)，SPDT技術(shù)是在超精密車床上采用單點(diǎn)金剛石刀具，通過精確控制車床上各軸的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)各類復(fù)雜曲面的加工。SPDT車削包括快刀伺服(fast tool servo, FTS)車削與慢刀伺服(slow tool servo, STS)車削。

FTS車削使用有高分辨率、高剛度和高動(dòng)態(tài)特性的輔助刀架，典型的FTS系統(tǒng)由精密車床、控制系統(tǒng)以及快速進(jìn)刀裝置三大部分構(gòu)成，其中控制系統(tǒng)和快速進(jìn)刀裝置是FTS加工特有的功能模塊。FTS加工原理如圖1所示，將工件面形的三維坐標(biāo)(,,)轉(zhuǎn)換為柱面坐標(biāo)(,,)，加工過程中刀具在向上產(chǎn)生快速精密的進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)，通過與軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面形的加工[8]。但FTS車削存在滯后問題造成跟蹤性能下降、主軸位置誤差引起加工輪廓混淆、短行程限制了其加工范圍等缺陷[9]。

圖1 快刀伺服加工示意圖[8]

STS車削技術(shù)依靠、、三軸聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面的加工。圖2為典型的STS車削機(jī)床布局[9]，與FTS車削機(jī)床布局相似，STS車床的軸與軸也呈T字形分布。工件主軸軸安裝在軸上，軸運(yùn)動(dòng)方向與軸軸線方向相互垂直。切削刀具安裝在軸上，其運(yùn)動(dòng)方向與軸垂直，與軸旋轉(zhuǎn)軸線平行。加工工件安裝在軸上，隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。金剛石刀具根據(jù)工件處于的角度和徑向位置在工件表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)軸、軸和旋轉(zhuǎn)軸軸均進(jìn)行位置精確控制，并且軸能夠以較高頻率精確地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。STS車削的運(yùn)動(dòng)行程范圍較大，能夠?qū)Τ叽巛^大的工件進(jìn)行加工，加工時(shí)間較短，能加工出高精度高質(zhì)量的光學(xué)元件，獲得較高的尺寸和形狀精度以及較好的表面粗糙度。但是，由于軸與軸的頻響比較低，致使其加工效率不是特別高，同時(shí)STS加工對(duì)機(jī)床與控制系統(tǒng)的硬件和處理數(shù)據(jù)能力有著很高的要求，使得STS車削機(jī)床的成本較為高昂。

STS加工與FTS加工的工件都安裝在軸上且隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具按照工件的軸向和徑向位置相對(duì)于工件表面作切削運(yùn)動(dòng)。STS加工與FTS加工的相異之處為：STS加工時(shí)只使用軸帶動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng)，不采用任何附加伺服裝置；STS加工較于FTS加工來說，行程更長但是其加速度相對(duì)較低，適用于加工非回轉(zhuǎn)對(duì)稱連續(xù)表面，而FTS有較大的加速度，更加適合非連續(xù)表面的加工；另外，STS中軸采用精密位置伺服控制模式，而在FTS技術(shù)中只是將圓光柵測到的軸位置信息給快刀伺服單元使用；STS技術(shù)采用、、三軸聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行加工，三軸聯(lián)動(dòng)由同一數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[9]?？偟膩碚f，STS技術(shù)在復(fù)雜曲面車削加工中擁有顯著的優(yōu)勢和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖2 慢刀伺服車削機(jī)床布局[9]

圖3 SPDT車削后的JSS-56 TMA系統(tǒng)三鏡[10]

2005年德國Jena Optronik公司和夫瑯和費(fèi)(IOF)開發(fā)的JSS-56 空間相機(jī)中的光學(xué)系統(tǒng)是離軸的三反射消像散系統(tǒng)(three-mirror anastigmat, TMA)，其三個(gè)反射鏡均采用鋁合金材料。圖3是該系統(tǒng)的離軸非球面三鏡，在采用STS切削加工后，三鏡面形精度達(dá)到PV 600 nm，表面質(zhì)量達(dá)到RMS 8.7 nm[10-11]。如圖4所示是我國航天508所與國防科技大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的口徑為Ф300 mm紅外空間相機(jī)，該相機(jī)的鏡面與支架均采用鋁材料制造，鏡面采用SPDT技術(shù)進(jìn)行加工[12]。2010年IOF聯(lián)合Holota公司研制的一款用于中波長紅外的全鋁TMA光學(xué)系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)具有三個(gè)非球面鏡(M1、M2、M3)和一個(gè)平面折疊鏡(FM)，反射鏡及支撐結(jié)構(gòu)均采用鋁合金材料，如圖5所示，系統(tǒng)中的M2/M3鏡與M1/FM鏡分別安裝在同一基板上。反射鏡及安裝支架上各安裝基準(zhǔn)面都采用SPDT一次加工成型，簡化了系統(tǒng)的裝調(diào)且能夠很好地保證位置精度[13-14]。使用鋁材料制造反射鏡與支撐結(jié)構(gòu)，在使用SPDT技術(shù)對(duì)鋁反射鏡進(jìn)行加工時(shí)，可以保證加工共基準(zhǔn)，能夠一次完成對(duì)鏡面和安裝面的車削加工，更好地保證安裝面的精度，降低裝調(diào)難度[15-16]。

圖4 全鋁望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)[12]

圖5 高光譜TMA望遠(yuǎn)鏡的光機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖[13]

雖然通過SPDT車削技術(shù)加工的反射鏡只能滿足紅外波段的使用需求，但SPDT加工技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，其可以直接加工球面、非球面光學(xué)元件，一次加工就可以獲得納米級(jí)的光滑表面，并且加工重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、適合批量生產(chǎn)、加工成本低。采用鋁材料時(shí)SPDT加工技術(shù)使整個(gè)系統(tǒng)的制造周期與制造成本大大降低，加工的光學(xué)元件與安裝支架的裝配精度足夠高、裝調(diào)簡單、校準(zhǔn)方便。SPDT車削技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合形成組合工藝，還可以獲得性能更好的光學(xué)元件，在先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的加工生產(chǎn)中有著極其重要的意義。

3 裸鋁反射鏡拋光技術(shù)

采用SPDT車削鋁反射鏡，在獲得高精度光學(xué)表面時(shí)，由于SPDT車削的基本原理，會(huì)在反射鏡表面形成車削紋路，產(chǎn)生光柵效應(yīng)，且因?yàn)檎`差復(fù)映，切削機(jī)床以及刀具的精度會(huì)影響加工精度；另一方面，鋁合金的質(zhì)地軟、硬度較低，在加工過程中容易產(chǎn)生劃痕、磨損等機(jī)械損傷；同時(shí)，鋁合金的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在損傷缺陷處易發(fā)生腐蝕。以上問題會(huì)導(dǎo)致鋁反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的性能受到嚴(yán)重影響，因此目前利用SPDT技術(shù)加工的光學(xué)元件成品只能滿足紅外光譜區(qū)域的應(yīng)用要求。若想要得到滿足更高使用要求的復(fù)雜曲面鋁反射鏡，則必須采用后續(xù)的拋光形成組合工藝來提高鋁反射鏡的面形精度以及改善其表面質(zhì)量。目前比較成熟的對(duì)SPDT切削加工后的鋁反射鏡進(jìn)行拋光的加工方法主要有計(jì)算機(jī)控制表面成形(computer controlled optical surfacing, CCOS)拋光以及基于CCOS技術(shù)原理發(fā)展而來的磁流變拋光(magnetorheological finishing, MRF)。

3.1 裸鋁反射鏡磁流變拋光修形

MRF拋光是一種基于CCOS 成型原理的超精密光學(xué)加工技術(shù)，是一種介于接觸與非接觸之間的光學(xué)表面修形技術(shù)，能夠?qū)PDT加工復(fù)雜光學(xué)元件進(jìn)行確定性修形，可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)甚至納米級(jí)的材料去除加工。MRF拋光具有拋光過程穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制、材料的去除效率高、拋光磨頭不磨損、可以獲得高質(zhì)量的光學(xué)表面等優(yōu)點(diǎn)。MRF拋光與CCOS拋光技術(shù)相比，其突出優(yōu)勢在于去除函數(shù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、修形精度高，且對(duì)復(fù)雜曲面非球面鏡面進(jìn)行拋光時(shí)可以很好的適應(yīng)局部曲率的變化。鋁反射鏡的MRF拋光實(shí)際上是一個(gè)拋光模對(duì)鋁反射鏡的作用過程，其拋光機(jī)理如圖6所示。磁流變液在磁場的作用下發(fā)生流變效應(yīng)，在幾十毫秒內(nèi)由液體變?yōu)橛捕?、粘度增大的固體柔性拋光模，在柔性拋光模與鋁反射鏡表面接觸時(shí)，鐵粉在拋光區(qū)內(nèi)規(guī)則排列，而拋光磨料會(huì)與鋁反射鏡表面發(fā)生反應(yīng)并形成一層較易去除的氧化層，此時(shí)，再由拋光模與鋁反射鏡表面之間的剪切力對(duì)氧化層進(jìn)行機(jī)械去除[17]。

在MRF拋光的過程中，拋光輪與工件之間的間隙會(huì)對(duì)去除函數(shù)效率分布產(chǎn)生影響，因此保持去除函數(shù)的穩(wěn)定，就是要保持拋光間隙的相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)于平面和陡度較低的非球面面形而言，進(jìn)行MRF拋光加工時(shí)拋光間隙近似不變，采用統(tǒng)一的去除函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)高精度修形。但是對(duì)于復(fù)雜曲面面形來說，曲面上各點(diǎn)的曲率在不斷變化，若采用統(tǒng)一的去除函數(shù)會(huì)導(dǎo)致拋光間隙發(fā)生改變，進(jìn)而使拋光區(qū)域壓力和剪切力出現(xiàn)變化，最終使去除函數(shù)的形狀尺寸及去除效率發(fā)生變化，無法實(shí)現(xiàn)精確修形。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面的高精度、高效率加工，必須準(zhǔn)確建立磁流變拋光去除函數(shù)的動(dòng)態(tài)模型。

圖6 鋁反射鏡磁流變拋光機(jī)理

2018年國防科技大學(xué)李信磊提出了一種動(dòng)態(tài)去除函數(shù)建模方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜曲面MRF拋光去除函數(shù)的精確獲取，其去除函數(shù)動(dòng)態(tài)建模思路如圖7所示[1]。該方法的基本思想是基于實(shí)驗(yàn)建模得到的平面去除函數(shù)，通過分析建立其中的理論關(guān)系，得到相同條件下加工復(fù)雜曲面的去除函數(shù)。最后，制定了復(fù)雜曲面鋁反射鏡拋光的工藝路線，并在自由曲面鋁反射鏡上進(jìn)行了應(yīng)用，如圖8所示[1]，最終加工得到的自由曲面鋁反射鏡鏡面面形誤差PV 0.229、表面質(zhì)量RMS 0.031。

在國外，美國雷神公司在2005年開發(fā)了用于可達(dá)到可見光質(zhì)量(visible quality, VQ)水平的鋁反射鏡精加工技術(shù)后，從2005年至2013年已經(jīng)在大約2000個(gè)系統(tǒng)中部署了超過10000個(gè)VQ反射鏡，在軍事領(lǐng)域中得到廣泛部署。圖9為雷神公司采用VQ技術(shù)通過MRF修正的離軸自由曲面鋁反射鏡[18]。2013年IOF設(shè)計(jì)制造了一款TMA光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的第三反射鏡是一塊直徑為320 mm的自由曲面鋁反射鏡，在對(duì)該反射鏡采用SPDT車削加工后，進(jìn)行了磁流變拋光，得到的形狀偏差RMS小于/40 nm，如圖10所示[19]。2015年IOF制造了一款全鋁非焦望遠(yuǎn)鏡，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，四個(gè)反射鏡鏡面均為自由曲面，M1/M3與M2/M4分別布置在同一鏡體基板上，制造時(shí)可以將多個(gè)自由度結(jié)合在一起，減少了望遠(yuǎn)鏡裝調(diào)時(shí)的工作量，圖12為該望遠(yuǎn)鏡中M2/M4反射鏡在金剛石車削后進(jìn)行MRF拋光[5]。

圖7 去除函數(shù)動(dòng)態(tài)建模流程[1]

圖8 磁流變、光順加工后自由曲面鋁反射鏡[1]

MRF拋光可以克服接觸式拋光技術(shù)中的固有缺陷，去除材料利用的是磁流變液與工件之間的剪切力，具有加工過程確定可控、對(duì)工件的正壓力很小、工件亞表面質(zhì)量好、加工精度高、面形收斂性好、能顯著提高加工精度和加工效率等優(yōu)勢。因此MRF拋光技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在獲得了巨大的發(fā)展，表現(xiàn)出優(yōu)良的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。但是拋光距離對(duì)MRF拋光的影響比較大、且拋光輪的尺寸也較大，因此MRF不適宜拋光像保形光學(xué)元件之類的高陡度的凹曲面和大長徑的內(nèi)腔元件[20]。此外，因?yàn)殇X材料的化學(xué)性質(zhì)活潑、質(zhì)地較為柔軟，因此鋁反射鏡在進(jìn)行MRF拋光時(shí)還需要保持化學(xué)作用與機(jī)械作用的平衡，確定合適的磁場強(qiáng)度和磁流變液緞帶的壓入深度，避免緞帶中的鐵粉劃傷鋁反射鏡表面。

3.2 裸鋁反射鏡保形光順拋光技術(shù)

化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical mechanical polishing, CMP)技術(shù)是借助拋光液的化學(xué)作用在鋁反射鏡表面形成一層易去除的氧化層，再利用拋光磨料的機(jī)械作用對(duì)該氧化層進(jìn)行去除，在拋光過程中同時(shí)存在化學(xué)作用與機(jī)械作用。該技術(shù)可以防止鏡面因拋光液的化學(xué)作用所產(chǎn)生的腐蝕以及拋光磨料的機(jī)械作用所產(chǎn)生的劃痕等，從而獲得光滑無缺陷的表面[1-2]。計(jì)算機(jī)控制表面成形(CCOS)技術(shù)是基于CMP機(jī)理的典型技術(shù)，對(duì)鋁合金反射鏡進(jìn)行CCOS拋光的原理如圖13所示，在鋁反射鏡CCOS拋光過程中同時(shí)存在化學(xué)作用與機(jī)械作用，利用拋光磨料的正壓力及相對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)械去除拋光液產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)在鋁反射鏡表面形成的氧化層。鋁反射鏡表面局部高點(diǎn)處去除效率較高，低點(diǎn)處去除效率較低，長時(shí)間拋光后可以使整個(gè)表面達(dá)到平整狀態(tài)，從而提升表面質(zhì)量。CCOS拋光技術(shù)可以在提高面形精度的同時(shí)控制表面質(zhì)量，已廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)元件的拋光中。

圖9 雷神公司通過MRF修正的離軸自由曲面鋁反射鏡[18]

圖10 MRF加工鋁反射鏡[19]

圖11 全鋁非焦望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)[5]

圖12 MRF加工反射鏡M2/M4[5]

裸鋁反射鏡鏡面在磁流變修形拋光后，表面粗糙度會(huì)有所降低，如何在保證鋁鏡反射面面形精度的前提下提升其表面粗糙度，是鋁合金反射鏡拋光的另一關(guān)鍵，CCOS技術(shù)可用于對(duì)MRF拋光后的鋁反射鏡進(jìn)行保形光順拋光，提高其表面質(zhì)量。例如，2018年IOF參與位于智利的超大型望遠(yuǎn)鏡上使用的低溫高分辨率紅外成像儀(CRIRES)的升級(jí)改造，加工了CRIRES中必須在低溫或常溫環(huán)境下工作的鋁反射鏡。這些鋁反射鏡在使用單點(diǎn)金剛石車削加工后，采用磁流變拋光技術(shù)進(jìn)行形狀修正，最后進(jìn)行CCOS保形光順拋光得到光滑表面，加工的鋁反射鏡的微粗糙度在RMS 1 nm到RMS 5 nm之間，形狀偏差小于RMS 35 nm。升級(jí)后該儀器測量精度和測量能力得到極大的提高，觀測效率提高了近10倍[21]。

CCOS技術(shù)既可用于MRF拋光鋁反射鏡后的保形光順拋光，也可用于完成SPDT加工的鋁反射鏡的直接拋光。2009年，美國猶他州立大學(xué)空間動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Utah State University Space Dynamics Lab，SDL)和美國L-3公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造了大帶寬紅外望遠(yuǎn)鏡(wide-field infrared survey explorer, WISE)，圖14為其主鏡拋光后鍍反射膜前的狀態(tài)[22-23]。該光學(xué)系統(tǒng)采用全鋁設(shè)計(jì)，鋁合金反射鏡安裝在鋁制框架和支撐結(jié)構(gòu)上。其鋁合金反射鏡采用SPDT技術(shù)切削成形，然后使用裸鋁拋光工藝進(jìn)行拋光，最終達(dá)到了成品面形和表面質(zhì)量要求。2005年德國Jena Optronik公司和夫瑯和費(fèi)(IOF)開發(fā)的JSS-56空間相機(jī)中的TMA望遠(yuǎn)鏡，要求該望遠(yuǎn)鏡的鋁反射鏡具有光滑表面且可應(yīng)用于可見光范圍[10-11]。因?yàn)殇X合金表面硬度相對(duì)較低，拋光性能較差且易于氧化，進(jìn)行直接拋光難度較大，因此采用的加工方法是在進(jìn)行SPDT技術(shù)進(jìn)行加工成形后，在鏡面鍍上一層厚的NiP膜層，之后再使用SPDT和后拋光技術(shù)組合加工，由此獲得高精度鋁反射鏡鏡面。圖15是M3鏡完成拋光后的成品，在表面2.5 mm×2.5 mm的視場內(nèi)，測得其微表面粗糙度RMS值由拋光前的8.7 nm降低到拋光后的0.6 nm。雖然在鋁反射鏡表面鍍膜可以解決表面難拋光的問題，但是所鍍膜層與鋁基體的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生“雙金屬效應(yīng)”，尤其是在溫差變化大的環(huán)境中，更會(huì)對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)性能造成不良影響。

圖13 鋁反射鏡CCOS拋光機(jī)理

圖14 WISE光學(xué)系統(tǒng)主鏡實(shí)物圖[22]

圖15 JSS-56 TMA系統(tǒng)第三反射鏡成品[10]

在國內(nèi)，2014年國防科技大學(xué)張藝等使用無規(guī)則溝槽阻尼布制作的拋光盤以及自己研發(fā)的堿性拋光液，對(duì)SPDT車削后的Al6061鋁合金反射鏡進(jìn)行直接拋光實(shí)驗(yàn)，拋光后的鋁反射鏡表面局部粗糙度值可以達(dá)到Ra 2.6 nm[2]。2014年天津大學(xué)潘龍等人采用羊毛輪拋光輪和金剛石油性懸浮液拋光液，進(jìn)行了鋁反射鏡平面拋光實(shí)驗(yàn)，工件的表面粗糙度由拋光前的Ra 144.59 nm提升到了拋光后的Ra 6.03 nm[24]。2017年中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的張繼真等設(shè)計(jì)了一種用于可見光的TMA光學(xué)系統(tǒng)，如圖16所示[25]。該系統(tǒng)的三個(gè)反射鏡及系統(tǒng)的支撐部件皆由鋁材料制成，主鏡(PM)和第三反射鏡(TM)都是離軸非球面反射鏡。其TM鏡在經(jīng)過SPDT車削加工成形以及在其表面鍍了一層非晶態(tài)NiP鍍層后，再經(jīng)過SPDT車削加工及后拋光進(jìn)一步改善表面質(zhì)量，得到的反射鏡面形誤差優(yōu)于RMS 1/30(=632.8 nm)，表面粗糙度優(yōu)于Ra 4 nm。

此外，國防科技大學(xué)的趙陶對(duì)鋁反射鏡拋光過程中鏡面表面產(chǎn)生結(jié)晶影響表面質(zhì)量的問題，研究了影響結(jié)晶的主要因素，通過改進(jìn)拋光工藝，成功地抑制了鋁反射拋光過程中的結(jié)晶現(xiàn)象，提升了拋光質(zhì)量[26]。英國Huddersfield大學(xué)的學(xué)者使用工業(yè)機(jī)器人對(duì)球面和非球面鋁反射鏡拋光進(jìn)行了探索，設(shè)計(jì)了部署在工業(yè)機(jī)器人上的非牛頓拋光盤以及一種特殊的隨機(jī)刀具軌跡算法，在400 mm的正方形自由曲面鋁反射鏡上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[27-28]。IOF針對(duì)由自由曲面鋁反射鏡鏡面基底尺寸不穩(wěn)定引起的鏡面質(zhì)量惡化等問題，進(jìn)行了變形補(bǔ)償理論研究，對(duì)光學(xué)表面的熱彈性表面形狀偏差(熱不穩(wěn)定性)進(jìn)行預(yù)測和修正，可顯著提高未在工作溫度下制造的自由曲面鋁反射鏡的性能[28]。

圖16 用于可見光成像的TMA光學(xué)系統(tǒng)[25]

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，CCOS技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展和豐富，雖然CCOS技術(shù)在光學(xué)加工中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但其在加工高精度復(fù)雜光學(xué)曲面方面仍然存在著諸多缺陷與不足。隨著CCOS拋光的進(jìn)行，用于拋光的磨頭會(huì)發(fā)生磨損，致使去除函數(shù)不能保持穩(wěn)定，影響光學(xué)元件的加工精度和面形收斂效率。在加工過程中，由邊緣效應(yīng)、誤差復(fù)映效應(yīng)等導(dǎo)致的中高頻誤差會(huì)對(duì)光學(xué)元件的質(zhì)量和加工效率產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，因此僅采用單一磨頭加工的方法來制造高精度高質(zhì)量的復(fù)雜光學(xué)曲面元件仍然存在困難。

4 復(fù)雜曲面CGH檢測

復(fù)雜曲面的檢測技術(shù)是復(fù)雜曲面光學(xué)元件制造過程中的重要步驟，是制約復(fù)雜曲面光學(xué)元件精度向更高方向發(fā)展最為關(guān)鍵的因素之一。計(jì)算全息圖(computer generated hologram, CGH)檢測法在復(fù)雜曲面光學(xué)零件檢測領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其抵抗外界干擾及噪聲的能力非常強(qiáng)，測量不確定度可以達(dá)到納米量級(jí)。CGH是一種衍射光學(xué)元件，幾乎能通過衍射產(chǎn)生任何形狀的波前，這種技術(shù)很早就被用來對(duì)非球面面形的光學(xué)元件進(jìn)行檢測。由于CGH 在設(shè)計(jì)和制作上不限于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱方式，因此很適合用來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光學(xué)表面的零位補(bǔ)償檢測，利用CGH檢驗(yàn)復(fù)雜曲面的示意圖如圖17所示[30]，當(dāng)干涉儀出射光照射到CGH元件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生與待測復(fù)雜曲面相匹配的參考波前，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面面形的零位干涉檢測。在這種干涉裝置中，CGH被放置在干涉儀出口和被測表面之間，為了獲得可靠的表征結(jié)果，CGH與被測表面的對(duì)準(zhǔn)要求很高。如果操作不當(dāng)，測量結(jié)果中會(huì)包含與對(duì)準(zhǔn)相關(guān)的波前誤差。

圖17 CGH 檢驗(yàn)復(fù)雜曲面示意圖[30]

當(dāng)CGH檢驗(yàn)校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜曲面時(shí)，主要有三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決：CGH相位補(bǔ)償面的設(shè)計(jì)；全息微結(jié)構(gòu)的高精度制造以及CGH檢測波前的不確定度評(píng)價(jià)[31]。

CGH 相位補(bǔ)償面的設(shè)計(jì)一般采用正向優(yōu)化設(shè)計(jì)和逆向追跡兩種方案。正向優(yōu)化設(shè)計(jì)法是最常用的CGH 設(shè)計(jì)方法，但會(huì)產(chǎn)生一定的設(shè)計(jì)剩余像差。逆向追跡設(shè)計(jì)以離散相位的形式設(shè)計(jì)CGH相位補(bǔ)償面，理論上可消除設(shè)計(jì)剩余像差。在CGH設(shè)計(jì)的過程中，還需要考慮CGH 裝調(diào)敏感度、衍射多級(jí)次的“鬼像”干擾以及最小線寬的加工能力[32]。

基于設(shè)計(jì)的CGH 相位補(bǔ)償面，按照特定的算法可生成全息條紋圖案。針對(duì)全息條紋微結(jié)構(gòu)的制備而言，通常采用如圖18所示的工藝流程方案[33]，經(jīng)過激光直寫或電子束直寫以及濕法刻蝕的工藝流程后，即可得到振幅型CGH。在此基礎(chǔ)上，再通過干法刻蝕即可得到相位型CGH。電子束直寫技術(shù)具有很高的分辨率，但加工效率低下。而激光直寫技術(shù)相比于電子束直寫技術(shù)而言，具有成本較低、效率高等優(yōu)勢，是大口徑CGH的主要加工手段。

全息條紋微結(jié)構(gòu)的制造精度影響CGH的使用性能，制造誤差包括基底誤差和CGH微結(jié)構(gòu)刻蝕誤差，是影響干涉檢測準(zhǔn)確度的主要因素。為保證CGH元件的檢測準(zhǔn)確度，需要對(duì)這些制造誤差進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)或標(biāo)定。CGH基底誤差包括基板的面形誤差和折射率均勻性誤差。在利用CGH進(jìn)行復(fù)雜曲面檢驗(yàn)校準(zhǔn)時(shí)，這部分誤差會(huì)作為系統(tǒng)誤差疊加到被測面上，從而影響面形檢測準(zhǔn)確度。基底誤差可在檢測光路下進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)于全息條紋刻蝕誤差也有許多相關(guān)研究。從當(dāng)前的研究情況來看，CGH的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)基本成熟，其制造工藝的優(yōu)化及波前精度的評(píng)定方法將會(huì)成為今后研究的熱點(diǎn)[31]。

2013年IOF報(bào)道了一種金屬光學(xué)元件干涉測量時(shí)的對(duì)準(zhǔn)方法，使用自由曲面車削或金剛石微銑削將對(duì)準(zhǔn)元件直接制造在透明孔外部的光學(xué)表面上，測量自由形狀金屬鏡的形狀偏差，被測自由曲面鏡和CGH基板上的新對(duì)準(zhǔn)特征允許在所有六個(gè)自由度中將被測表面精確地對(duì)準(zhǔn)CGH[34]。2015年IOF制造的全鋁非焦望遠(yuǎn)鏡中，四個(gè)自由曲面反射鏡M1/M3與M2/M4分別布置在同一鏡體基板上，IOF設(shè)計(jì)制造了可在單個(gè)測量設(shè)置中同時(shí)測量兩個(gè)自由曲面的CGH，如圖19所示[5]。

在國內(nèi)，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的黎發(fā)志等人利用CGH實(shí)現(xiàn)了離軸非球面、自由曲面等光學(xué)零件的高精度面形檢測[30]；中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的謝意等人用CGH校驗(yàn)了口徑為140 mm的凹拋物面，面形測量結(jié)果為PV 0.406、RMS 0.062[35]；國防科技大學(xué)甘子豪等人在自由曲面測試中提出了一種新的CGH離散化方法，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工條紋的編碼，基于新的離散化方法的CGH波前精度均方根值為2.363 nm，滿足高精度光學(xué)測試的應(yīng)用要求[36]。

隨著現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的不斷升級(jí)發(fā)展，高新技術(shù)裝備對(duì)于復(fù)雜曲面光學(xué)零件提出了更高的要求，由于曲面復(fù)雜性的增加，對(duì)檢測裝置的對(duì)準(zhǔn)和精度要求非常高，這使得面形檢測在復(fù)雜曲面光學(xué)元件高精度、高效率制造中的影響更加突出。CGH檢測法基于衍射理論，可生成任意形狀的參考波前，可補(bǔ)償各種類型的像差，能夠克服其他檢測方法的缺陷，其設(shè)計(jì)靈活多變、適用范圍廣，因此能夠滿足各類復(fù)雜面形的檢測需求，在復(fù)雜曲面光學(xué)零件裝備計(jì)量領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。

圖18 CGH衍射微結(jié)構(gòu)制造的工藝流程[33]

圖19 在潔凈室中的CGH 測量裝置

5 結(jié) 論

在光學(xué)系統(tǒng)中采用復(fù)雜曲面光學(xué)元件是未來光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢，但是目前復(fù)雜曲面光學(xué)元件在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用還存在很多困難。主要原因就在于復(fù)雜曲面光學(xué)元件的超精密制造與檢測評(píng)價(jià)技術(shù)還存在較多還未解決的難題。隨著應(yīng)用需求的不斷提高，面形復(fù)雜程度、加工精度及形位公差、表面質(zhì)量等要求會(huì)更為苛刻，對(duì)復(fù)雜光學(xué)曲面的加工及檢測提出新的挑戰(zhàn)。采用超精密伺服車削成形、磁流變拋光確定性修形、保形光順拋光和CGH面形檢測等技術(shù)形成組合工藝，是解決未來光學(xué)復(fù)雜曲面鋁反射鏡制造難題的有效方案。

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Current status of ultra-precision manufacturing of complex curved aluminum reflectors

Xu Chao1,2, Peng Xiaoqiang1,2*, Dai Yifan1,2

1Laboratory of Science and Technology on Integrated Logistics Support, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073, China;2College of Intelligent Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073, China

Mechanism of magnetorheological polishing for Aluminum mirror

Overview:The use of complex curved aluminum reflectors can simplify the structure of the optical system, facilitate the manufacture of complex curved surfaces, reduce the quality of the system, provide a more flexible system layout, have a higher degree of design freedom, and can be integrated without heat. Advantages such as design, its application in high-performance optical systems is becoming more and more extensive. Adopt ultra-precision turning processing of complex curved aluminum mirror, one-time processing can obtain a nano-level smooth surface, and the processing repeatability is good, the production efficiency is high, suitable for mass production, and the processing cost is low, but the accuracy is subject to the ultra-precision turning processing error. The limitation of "Review" can only meet the application requirements of infrared system. If you want to get a complex curved aluminum mirror that meets higher requirements, after ultra-precision turning, you must use a subsequent polishing process to improve the surface accuracy of the aluminum mirror and improve its surface quality. At present, the more mature processing methods for polishing aluminum mirrors after ultra-precision turning mainly include computer controlled surface forming (CCOS) polishing and magnetorheological polishing (MRF) developed based on the principle of CCOS technology. CCOS polishing of aluminum alloy mirrors uses the positive pressure of the polishing abrasive and relative motion to mechanically remove the oxide layer formed on the surface of the aluminum mirror by the chemical reaction of the polishing liquid, which can improve the surface accuracy while controlling the surface quality. Magnetorheological polishing is an ultra-precision optical processing technology between contact and non-contact based on the principle of CCOS molding. It can perform deterministic processing of complex curved optical elements. It has a stable polishing process, easy to realize computer control, and materials. The removal efficiency is high, the polishing head is not worn, and high-quality optical surfaces can be obtained. The outstanding advantage of MRF polishing compared to CCOS polishing technology is that the removal function is stable and accurate, and it can adapt to changes in local curvature when polishing aspheric curved mirrors with complex curved surfaces. The use of magnetorheological polishing, computer-controlled surface forming and other post-polishing processing techniques, combined with the current computational hologram (CGH) surface shape detection technology with the highest accuracy in detecting complex curved surface shapes, can further improve the surface accuracy of complex curved aluminum reflector, to meet the application requirements of visible light systems, and lay the foundation for the promotion and application of complex curved aluminum alloy mirrors.

Citation: Xu C, Peng X Q, Dai Y FCurrent status of ultra-precision manufacturing of complex curved aluminum reflectors[J]., 2020, 47(8): 200147

Current status of ultra-precision manufacturing of complex curved aluminum reflectors

Xu Chao1,2, Peng Xiaoqiang1,2*, Dai Yifan1,2

1Laboratory of Science and Technology on Integrated Logistics Support, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073, China;2College of Intelligent Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073, China

Due to the unique advantages of complex curved aluminum mirrors, its application in optical systems is becoming more and more widespread. However, the accuracy of optical mirrors that are only processed by ultra-precision turning is limited by the "error reflection" of ultra-precision turning, which can only meet the application requirements of infrared systems, and its further promotion and application have encountered bottlenecks. The combined processing technology of ultra-precision turning, magnetorheological polishing, and computer-controlled surface forming (CCOS), combined with the computational hologram method (CGH) of the complex optical curved surface (CGH) surface shape detection technology, can further improve the surface shape accuracy of the aluminum reflector, to meet the application requirements of visible light systems, and lay the foundation for the promotion and application of complex curved aluminum alloy mirrors.

complex curved surface; aluminum mirror; ultra-precision turning; polishing; computer-generated hologram (CGH)

TH74；TH161

A

10.12086/oee.2020.200147

: Xu C, Peng X Q, Dai Y F. Current status of ultra-precision manufacturing of complex curved aluminum reflectors[J]., 2020,47(8): 200147

徐超，彭小強(qiáng)，戴一帆. 復(fù)雜曲面鋁反射鏡超精密制造現(xiàn)狀[J]. 光電工程，2020，47(8): 200147

Supported by Science Challenge Project (TZ2018006) and National Natural Science Foundation of China (51835013)

* E-mail: pengxiaoqiang@nudt.edu.cn

2020-05-06；

2020-06-28基金項(xiàng)目：國防基礎(chǔ)科研科學(xué)挑戰(zhàn)專題項(xiàng)目(TZ2018006)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51835013)

徐超(1992-)，男，博士研究生，主要從事超精密加工技術(shù)的研究。E-mail：wjsxcr@126.com

彭小強(qiáng)(1977-)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事智能裝備精密工程、現(xiàn)代光學(xué)制造、超精密加工技術(shù)的研究。E-mail：pengxiaoqiang@nudt.edu.cn