大口徑非球面精密加工技術綜述

趙蒙

【摘要】大口徑非球面鏡具有成像質量高、體積小、重量輕的特點，隨著天文科技的發展,對大口徑、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用主要局限于它的加工比球面要困難的多。介紹了國內外大口徑非球面精密加工技術的發展。對計算機非球面表面成型技術、應力拋光技術、磁流變拋光技術、離子束拋光技術等非球面加工技術進行了綜述。

【關鍵詞】大口徑非球面；精密加工；技術

0引言

大口徑光學系統具有角分辨能力高，能量收集能力強的特點，被廣泛的應用在熱核聚變、強激光武器發射系統、空間通訊系統、天體觀察等諸多領域中。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,非球面的應用主要局限于它的制造和檢測，比球面要困難的多,因此要想廣泛地將非球面應用于光學系統中,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，目前廣泛用于中小口徑非球面加工的采用小磨頭的計算機非球面表面成型技術（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

從十九世紀七八十年代開始，在計算機技術及激光干涉技術的推動下，出現了采用計算機控制的采用小磨頭的計算機表面成型技術，在這之后又發展出具有更高確定性的磁流變技術及離子束技術，以及適用于大口徑加工的應力盤技術和應力拋光技術等，使得大口徑非球面的加工效率得到大幅度的提高，為光學技術的發展提供了技術支持。

1.1計算機非球面表面成型技術（Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS）

計算機光學表面成型技術是對采用數控技術進行非球面表面成型加工的一類技術的總稱，它是使用現代技術對傳統光學加工工藝的量化模擬，它的加工原理是根據定量的面形檢測數據，在虛擬加工過程控制模型的基礎上，用計算機控制一個尺寸小于工件的工作頭(直徑通常小于工件直徑的1/5),對光學零件進行研磨或拋光，通過控制磨頭在工件表面不同位置的駐留時間（也就是加工時間）等參數來控制鏡面不同位置的材料去除量，從而達到修正鏡面面形誤差的目的。與人工修磨相比，計算機表面成型技術具有更高的精度和重復性，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間，提高生產效率。

雖然CCOS技術已取得了很大的進展,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技術面臨的主要問題有:

（1）工藝條件的復雜性使得實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,因此如何對加工過程進行優化以提高CCOS的效率是問題的關鍵。

（2）為使CCOS技術做到真正的非專家可操作,需要建立完整的CCOS加工數據庫及專家系統。而這方面目前還缺乏合理有效的數學模型。

（3）由于CCOS技術采用小磨頭,加工后表面誤差的結構與傳統方法加工出的表面有所不同,中、高頻誤差相對較大,目前雖然提出了評價該類誤差的新方法,但如何將其應用到CCOS加工中去是需要解決的問題。另外此類誤差對系統成像質量的影響還需進一步地研究。

1.2應力拋光技術(Stress Lap Polishing)[2]

應力拋光技術出現于20世紀80年代。它利用主動變形技術,使拋光盤在對非球面光學表面進行拋光的過程中,通過計算機控制實時改變拋光盤的形狀,使其符合理論非球面面形。進而將被加工球面向標準非球面修正。實質上應力拋光技術也是一種子口徑拋光技術(Sub aperture Polishing Lap),是對CCOS技術的補充。

到目前為止有報道的采用應力拋光方法的最大成就為10m Keck 望遠鏡主鏡的86塊子鏡的加工，與之前采用的應力拋光不同的是，Keck主鏡的子鏡均為離軸非球面鏡，即鏡面面形不再是對稱的，這是之前的應力拋光技術所加工不了的。Lubliner和Nelson在1980年報道了他們關于離軸非球面與其最接近球面的面形差異的計算及通過在鏡面周圍施加力和力矩的方法來產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，鏡面面形精度達到0.03μm RMS，收斂效率十分驚人，實驗證明采用應力拋光技術可以非常有效的用于圓形離軸非球面的加工，之后在KPNO望遠鏡主鏡的加工中，取得了非常的成功。但由于Keck望遠鏡采用的是六邊形主鏡，ITEK公司采用了首先使用應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部的應力釋放，鏡面發生大約200nmRMS的形變，ITEK公司采取了在多點支撐結構中安裝彈簧給鏡面施加校正力的方式主動的校正鏡的面形，在后期的報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。其中使用應力拋光將鏡面加工到200nm RMS的面形精度，用時6周，效率相當驚人。

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

Mag netorheological Finishing(MRF)技術出現于20世紀90年代初期,由W. I. Kordonski, I. V.Prokhorov 及其合作者將電磁學與流體動力學理論相結合并應用于光學加工中。1995年美國Rochester學的光學加工中心(COM)利用MRF技術開始研制具有實用性、商業型的MRF光學加工設備。磁流變拋光是利用磁流變拋光液在磁場中的流變性進行拋光,在高強度的梯度磁場中,磁流變拋光液變硬,成為具有粘塑性的Bingham介質,并形成緞帶凸起。當這種介質流經工件與運動盤形成的很小空隙時,在工件表面與其接觸的區域上產生很大的剪切力,從而使工件表面材料被去除。所謂數控MRF技術就是通過計算機控制拋光軌跡、拋光駐留時間以磁流變液在磁場中形成的緞帶凸起為拋光頭來完成對面形誤差的修正。

與傳統拋光方法相比,MRF具有以下優點:（1）拋光盤無磨損,拋光特性穩定;（2）可以制造復雜形狀的表面,如球面、非球面及非對稱的自由曲面。

同時MRF技術也存在以下缺點:MRF技術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：當前COM制造的MRF數控拋光機的拋光轂輪最小直徑為25mm;另外應用MRF技術修拋時,由于材料的拋去量較小,對被修正表面的面形精度要求較高,一般精度在1~2波長之間。因此在應用MRF前,被拋光表面需要采用傳統工藝進行預拋光處理。

目前，長春光機所已經研制成功磁流變技術并完成了相關的工藝試驗，試驗采用直徑80mm的平面SiC材料的進行了工藝試驗，通過在平面基地上拋光后產生PV:1.68,RMS:0.36的像散，輸入與輸出在數值上的差異為PV12%、RMS5.8%。實驗結果表明磁流變拋光的去除函數的穩定性能夠達到95%以上，能夠實現90%以上的確定性加工，優于“小磨頭”技術所能達到的80%的去除穩定性，為SiC材料的確定性高效高精度去除提供了基礎。

1.4離子束拋光(Ion Beam Milling)

離子束拋光技術被國內外廣泛認為是現代光學加工技術中最具革命性的創新之一，它將光學加工在拋光階段的收斂率提高了一個數量級以上，顯著的提高了光學加工的確定性及拋光的精度。離子束拋光技術在1988年最先被Wilson，Reicher和McNeill提（下轉第39頁）（上接第5頁）出，之后于1990年Eastman Kodak 公司最先研制出了原理樣機并做了大量的工藝試驗。與傳統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反射鏡表面，從而實現原子量級的材料去除，在加工的過程中沒有任何物體和鏡面發生直接接觸，因此去除函數非常穩定，且不受鏡面外形、鏡面面形的影響，其加工精度僅僅受檢測精度的限制，是CCOS小磨頭技術的完善。