全口徑環形拋光的光學元件面形誤差影響因素及其控制

廖德鋒， 張明壯， 謝瑞清， 趙世杰， 許 喬

（中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900）

1 引 言

采用大型激光裝置進行慣性約束聚變是當今國際上的前沿研究領域［1］。目前，在建或運行的大型激光裝置主要包括美國的國家點火裝置（National Ignition Facility， NIF）、法國的兆焦耳激光裝置（Laser Megajoule， LMJ）等。美國于2009 年建成的NIF 裝置使用約7 600 余件大口徑光學元件，NIF 裝置對這些光學元件的全頻段誤差指標（低頻面形誤差、中頻波紋度誤差和高頻粗糙度誤差）提出了極高的要求［2］。

強激光光學元件拋光主要包括子口徑拋光和全口徑環形拋光兩類。子口徑拋光通過數控機床控制小尺寸去除工具對元件表面局部區域的選擇性去除實現面形誤差的修正，在低頻面形誤差的確定性控制方面具有較大的優勢［3-4］。然而，小尺寸去除工具掃描元件表面修正低頻面形誤差時，由于卷積效應、拋光斑不穩定以及駐留時間實現偏差等原因，元件表面會產生小尺度波紋，從而惡化中頻誤差［5］。全口徑環形拋光采用大尺寸拋光盤，在抑制中頻波紋度誤差、提升加工效率和降低加工成本等方面具有明顯的優勢；但大尺寸拋光盤難以實現對元件表面高低區域的選擇性去除，全口徑環形拋光在元件低頻面形誤差的高效、高精度控制方面面臨極大的困難，通常需要采用子口徑拋光進行后續的收斂加工［6］。因此，改善全口徑環形拋光低頻面形誤差的收斂精度和控制穩定性，對于提升大口徑光學元件的全頻段精度、縮短加工工藝流程具有重要意義。

全口徑環形拋光機床通常采用大尺寸、熱穩定的天然花崗巖制成拋光盤基盤，基盤表面澆制環形瀝青膠層作為拋光盤。瀝青拋光盤的環帶表面依次放有大尺寸修正盤和工件盤，其中修正盤用于修正和控制瀝青拋光盤的形狀誤差，工件盤用于把持元件［7］。拋光過程中，拋光盤、修正盤和工件盤均以一定的轉速繞逆時針方向勻速旋轉，放在工件盤的工件孔內的光學元件在拋光盤及其承載的磨料顆粒的作用下產生材料去除從而形成光學表面。

針對光學元件在拋光過程中的材料去除速率，早在1927 年，Preston 根據玻璃拋光經驗發現材料去除速率（MRR）正比于拋光壓力（p）和運動速度（v），從而建立了經典材料去除方程，將拋光壓力和運動速度以外其他所有因素的影響歸為材料去除系數（k0）［8］。然而，光學元件的面形誤差表現為光學元件表面各點高度的非均勻分布，全口徑拋光通過對光學元件表面材料的非均勻去除，從而改善各點高度的分布均勻性，實現面形誤差的收斂。因此，全口徑拋光加工光學元件的面形誤差與拋光壓力、運動速度和材料去除系數的分布均勻性有關。

拋光運動速度方面，Dornfeld 等認為元件和拋光盤的轉速偏差是元件運動速度非均勻性的主要來源［9］。Zhao 等提出采用運動軌跡長度的分布表征材料去除均勻性，得出元件與拋光盤的轉速接近時有利于改善去除均勻性［10］。Kim 等定義了包含元件尺寸、偏心距、元件與拋光盤的轉速比等參數的“運動學指數”，得出元件與拋光盤的轉速比為1 時元件運動速度和軌跡長度分布的均勻性最佳［11］。謝京江、馬志成等得出了類似的結論［12］。這些研究揭示了元件與拋光盤表面完全接觸條件下拋光運動參數對運動速度均勻性的影響規律。然而，由于拋光盤表面通常開有溝槽來改善拋光液在盤面的分布均勻性，元件表面各點相對于拋光盤運動時形成的運動軌跡，僅在位于拋光盤表面非槽溝區域時才會形成有效去除，在位于槽溝區域時不具有去除作用，因此，需要綜合分析拋光運動參數和拋光盤表面開槽對元件表面各點運動軌跡有效去除弧長均勻性的影響。

全口徑環形拋光中，光學元件表面拋光壓力分布均勻性的影響因素有很多，其中拋光盤的形狀誤差具有決定性的影響。通常采用大尺寸修正盤來修正和控制瀝青拋光盤的形狀誤差，主要是調整大尺寸修正盤在瀝青盤上的徑向位置來改變瀝青盤的凹凸形狀和元件拋光表面的壓力分布，這種方法依賴于人的經驗，難以實現確定性控制［13］。美國ZYGO 公司提出了瀝青拋光盤的形狀誤差的半定量檢測與修正方法，但由于未能標定檢測過程的系統誤差，無法準確獲得拋光盤的形狀誤差［14］。由此可知，環形拋光大尺寸瀝青拋光盤的三維形狀誤差，仍然缺乏高效、高精度的確定性檢測方法，用以指導拋光盤的制備及其形狀誤差的控制。

材料去除系數包含除了運動速度和拋光壓力以外其他所有因素的影響［15］。考慮其分布均勻性及它對光學元件面形誤差的影響，將它簡化為均勻分布的常數。實際加工時，材料去除系數通常在拋光區域呈現為非均勻分布，并對材料去除均勻性和面形誤差具有非常重要的影響。材料去除系數的影響因素包括拋光系統的光學元件、拋光液和拋光盤［16］。其中，拋光盤表面的鈍化狀態通過影響磨料顆粒在拋光接觸區域的分布均勻性從而影響材料去除均勻性和元件面形誤差，而這些方面在已有研究中卻被忽略。

綜上可知，全口徑環形拋光的面形誤差與運動速度、拋光盤的形狀誤差和表面鈍化狀態等工藝因素有關。本文深入研究這些工藝因素對面形誤差的影響規律，進而提出相應的定量控制方法，從而提高了全口徑環形拋光的加工精度和效率。

2 運動速度的分布均勻性及控制

光學元件在拋光過程中的運動速度是指光學元件表面各點相對于拋光盤的運動速度。材料去除方程中，運動速度乘以時間等于運動軌跡的弧長。因此，本文采用光學元件表面各點運動軌跡的弧長來研究運動速度的分布均勻性，如圖1 和圖2 所示，通過對拋光時間的離散，求解各個離散時間段內的軌跡弧長之和，從而得到總弧長，即：

圖1 全口徑環形拋光的拋光運動過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of polishing motion process of full-aperture continuous polishing

圖2 光學元件表面任一點在拋光盤表面的運動軌跡Fig.2 Sliding track of local optic point on grooved lap

式中：s（u，v）表示光學元件表面（u，v）處在拋光時間（T）內的軌跡弧長，si表示第i個離散時間段（dt）內的軌跡弧長。

拋光盤表面通常開有溝槽以改善拋光液的分布均勻性，光學元件表面各點在拋光盤表面運動經過溝槽時沒有產生材料去除，從而影響材料去除的均勻性。本文針對光學元件表面各點在拋光盤表面的運動軌跡，引入有效去除系數來表征運動軌跡上各個離散段的有效去除特性，通過運動軌跡的有效弧長分析運動速度的分布均勻性，如下：

式中：ε(xi，yi)為第i個離散段的有效去除系數，位于拋光盤表面時其值為1，位于拋光盤溝槽時其值為0，分別表示運動經過拋光盤表面時產生材料去除和沒有產生材料去除。

由于已有研究揭示了拋光運動參數對材料去除均勻性的影響規律，因此本文基于上述全口徑環形拋光運動學模型和弧長求解公式重點研究了拋光盤的槽型對運動軌跡有效弧長的影響規律，并且開展了拋光工藝實驗。仿真分析和拋光實驗采用4 m 全口徑拋光機床，光學元件為430 mm×430 mm×80 mm 的熔石英，放在拋光盤表面的偏心距為1 300 mm，拋光盤和光學元件的轉速分別為0.5 r/min 和0.49 r/min。拋光盤表面銑削生成的拋光液溝槽的槽型主要有徑向槽、環形槽、方形槽和螺旋槽，如圖3所示。

圖3 拋光盤表面開槽槽型示意圖Fig.3 Polishing laps with different grooves

實際加工中，開槽槽型對元件面形的影響遠大于開槽寬度、深度和密度等參數。為了避免開槽參數的影響，所有槽型的開槽寬度和深度均為5 mm，徑向槽的相鄰槽夾角為3°，環形槽和方形槽的槽間距約為100 mm，螺旋槽中隔離塊的邊長約為50~150 mm。仿真分析結果如圖4 所示，環形槽的旋轉對稱結構特征與光學元件和拋光盤的旋轉運動特性傳遞至光學元件表面使它產生環形紋路特征，光學元件表面各點的運動軌跡有效弧長或運動速度的非均勻度最大可達20%，從而影響材料去除均勻性和最終的面形誤差；采用徑向槽、方形槽和螺旋槽時，運動軌跡有效弧長的均勻性較好，非均勻度均小于5%，這是因為這些槽型的拋光盤表面沒有旋轉對稱的結構特征，有利于改善光學元件表面各點在光學元件和拋光盤的旋轉運動過程中的運動速度分布均勻性。拋光實驗結果顯示，采用環形槽的拋光盤加工光學元件時，元件表面存在環帶特征，從而影響低頻面形誤差和中頻波紋度誤差，而采用徑向槽、方形槽以及螺旋槽時，元件表面較為勻滑，如圖5 所示。

圖4 不同拋光盤槽型下元件表面各點運動軌跡弧長的分布Fig. 4 Sliding distance distributions of opitcs polished by different patterned laps

圖5 不同拋光盤槽型條件下加工的光學元件面形Fig.5 Surface figures of optics polished by laps with different grooves

3 拋光盤形狀誤差的定量檢測與修正

拋光壓力的分布均勻性是影響材料去除均勻性和面形誤差的關鍵因素之一，其來源主要包括加載壓力的分布均勻性、光學元件的側傾力矩，以及拋光盤的形狀誤差等。其中，拋光盤的形狀誤差具有決定性的影響。本文建立了拋光盤形狀誤差的在位定量檢測方法，提出了子口徑修正方法來改善瀝青拋光盤的形狀誤差。

根據全口徑環形拋光機床的機械結構和運動特點，提出采用激光位移傳感器在位檢測瀝青拋光盤的形狀誤差，如圖6 所示。檢測瀝青拋光盤的形狀誤差時，將激光位移傳感器固定于直線導軌的溜板上，通過綜合控制激光位移傳感器沿拋光盤半徑方向的勻速直線運動和拋光盤的勻速旋轉運動，獲得拋光盤表面沿螺旋線路徑分布檢測點的高度，然后通過插值算法求得拋光盤表面的三維形狀。

圖6 拋光盤形狀誤差的定量檢測示意圖Fig.6 Schematic of quatitative measurement of lap surface shape

大尺寸拋光盤的形狀誤差通常在數十微米，因此，檢測系統誤差需要在3~5 μm。激光位移傳感器的檢測精度可以達到0.1 μm，對檢測系統誤差的影響可以忽略。激光位移傳感器沿導軌直線運動時，導軌的直線度誤差會引入檢測數據中，因此，需要標定導軌的直線度誤差并對檢測數據進行補償。導軌的直線度誤差通常在數微米到十多微米，將其標定并對檢測數據進行補償后對檢測系統誤差的影響可以小于1 μm。此外，檢測過程中的微小振動以及溫濕度擾動對檢測過程的影響很小。因此，該檢測方法的精度能夠滿足拋光盤形狀誤差的檢測要求。

本文借鑒子口徑拋光的局部修形思想，采用小工具來修整拋光盤表面的局部高低區域，從而改善拋光盤的整體形狀誤差。采用小工具修正拋光盤形狀誤差的流程如圖7 所示，首先檢測拋光盤的初始形狀誤差，確定小工具對拋光盤的作用函數，然后規劃小工具掃描拋光盤表面的路徑以及路徑上各點的駐留時間，最后生成機床數控代碼進行修正加工。確定小工具對拋光盤的作用函數時，采用小工具在拋光盤表面的合適位置進行定點修整，通過檢測修整前后拋光盤的形狀誤差變化獲得小工具的作用函數。采用小工具用于修正拋光盤的形狀誤差時，小工具沿一定的路徑掃描拋光盤表面，通過控制其在不同路徑段（駐留點）的駐留時間或運動速度來修正拋光盤表面的局部誤差。根據全口徑環形拋光機床的機械結構和運動特點，可將小工具安裝在拋光盤上方的直線導軌上，然后控制小工具沿拋光盤半徑方向移動和拋光盤旋轉以螺旋路徑掃描拋光盤表面。根據拋光盤的初始形狀誤差和小工具的作用函數，采用子口徑拋光中常用的等比例估算法、脈沖迭代法等駐留時間算法求解小工具掃描路徑上各個駐留點的駐留時間［17］，通過數控系統綜合控制小工具經過拋光盤表面特定角度和半徑位置時的拋光盤轉速和小工具移動速度，即可實現該位置的確定修整。

圖7 采用小工具修正拋光盤形狀誤差的流程Fig.7 Flowchart for correction of shape error of lap using a small tool

基于上述方法開展了拋光盤形狀誤差的子口徑修正實驗。實驗采用全口徑環形拋光機床的拋光盤直徑為4 m，光學元件為430 mm×430 mm×80 mm 的熔石英。采用的小工具為陶瓷盤，直徑為180 mm，偏心距為20 mm。實驗結果如圖8 和圖9 所示，瀝青拋光盤的初始形狀誤差約為120 μm，經過3 次小工具修正后形狀誤差

圖8 采用小工具用于修正拋光盤的形狀誤差Fig.8 Lap surface shape by sub-correction process

圖9 拋光盤形狀誤差修正前后的元件面形Fig.9 Surface figure of optic polished before and after corvection of shape error of polishing pad

依次收斂至80，40，38 μm。在拋光盤的初始狀態下加工的光學元件面形為2λ，而在拋光盤的形狀誤差收斂至38 μm 時加工的光學元件面形誤差為0.4λ。結果顯示，采用上述方法可以定量檢測和修正拋光盤的形狀誤差，進而改善光學元件的面形誤差。

4 拋光盤表面鈍化狀態監測

材料去除方程中，材料去除系數包括拋光系統的光學元件、拋光液和拋光盤等因素。光學元件和拋光盤的特性在其表面是均勻分布的，從而不會影響材料去除均勻性，因此，材料去除系數的分布均勻性主要取決于拋光液中磨料顆粒在拋光接觸區域內的分布均勻性。

瀝青拋光盤表面的特征結構主要有溝槽以及淺紋線槽，如圖10 所示。作為拋光液流道的溝槽采用銑削加工，主要用于改善拋光液的分布均勻性。淺紋線槽采用專用的排齒刮刀修刮成形，它在拋光盤表面形成規則的紋理結構和紋路特征。線槽在拋光過程中的作用是把持磨料顆粒，使它可以磨損去除光學元件表面材料。因此，線槽在材料去除過程中具有非常重要的影響，它的銳利和深淺程度在很大程度上決定了瀝青拋光盤表面的鈍化狀態。由于瀝青拋光盤具有黏彈性和流變性，它在大尺寸修正盤的加載壓力作用和相對運動條件下產生蠕變變形和剪切流變，瀝青拋光盤表面的淺紋線槽被逐漸填充并發生鈍化，進而惡化線槽對磨料顆粒的把持能力，從而影響材料的去除速率和去除均勻性。

圖10 拋光盤表面特征結構示意圖Fig.10 Schematic of characteristic structure of lap surface

為了監測拋光過程中瀝青拋光盤表面鈍化狀態的變化規律以及對材料去除過程的影響，通過監測拋光盤表面的紋理特征值、摩擦系數和拋光盤驅動電機的負載功率來獲得拋光盤表面的鈍化狀態。實際拋光過程中，隨著拋光盤表面的鈍化，淺紋線槽的紋理結構和紋路特征逐漸變淺，因此，可以采用相機拍攝拋光盤表面獲得其圖像，通過分析拋光盤表面圖像的紋理來監測拋光盤表面的鈍化狀態。圖像紋理分析中，灰度共生矩陣法（Gray Level Co-occurrence Matrix， GLCM）是對圖像上具有一定位置關系的兩個灰度像素同時出現的概率進行統計，比較適合分析拋光盤表面具有固定排列方向和間距的淺紋線槽的紋理，其對比度特征具有較好的區分度［18］。拋光盤表面的淺紋線槽為磨料顆粒提供把持力的同時，也對拋光盤與修正盤、工件盤和光學元件之間的摩擦作用產生非常重要的影響。隨著拋光盤表面的鈍化，拋光盤與修正盤、工件盤和光學元件之間的摩擦作用力逐漸減小，同時用于驅動它們進行勻速旋轉的伺服電機的負載功率隨之發生變化，因此可以通過監測拋光盤表面的摩擦系數，以及用于驅動拋光盤進行勻速旋轉的伺服電機的負載功率來監測拋光盤表面的鈍化狀態。通過控制光學元件在垂直方向以恒力作用于拋光盤表面，然后測量光學元件在水平方向受到拋光盤表面施加的橫向摩擦力，從而獲得拋光盤表面的摩擦系數［19］。采用C#語言編程實時監測獲得數控系統中拋光盤驅動電機的負載功率。

開展拋光實驗對拋光盤表面鈍化狀態進行監測，進而分析拋光盤表面鈍化狀態對材料去除系數的影響規律。全口徑拋光機床的拋光盤直徑為4 m，光學元件為430 mm×430 mm×80 mm 的熔石英，光學元件放在拋光盤表面的偏心距為1 300 mm，拋光盤和光學元件的轉速分別為0.5，0.49 r/min，求解得到光學元件的平均拋光壓力為1 725 Pa，相對運動速度為0.068 m/s。為了減小拋光盤形狀誤差的變化及其對實驗結果的影響，將修正盤移至較為平衡的徑向位置。拋光前采用排齒刮刀修刮打毛瀝青拋光盤表面，采集瀝青拋光盤表面的圖像進行紋理分析，同時監測拋光盤表面的摩擦系數以及拋光盤驅動電機的負載功率。然后以上述參數持續運行機床，拋光盤在修正盤作用下發生鈍化，每次間隔30 h后重新采用上述3 種方法監測拋光盤表面的鈍化狀態，每次監測完成后隨即加工光學元件，加工時長為3 h。加工前后測量光學元件厚度從而獲得該次加工的材料去除量，進而計算得到材料去除速率和材料去除系數，根據材料去除方程計算得到材料去除系數的分布，并且計算光學元件表面各點的最小去除系數與最大去除系數的比值，將它定義為去除系數的均勻度。

圖11 顯示，拋光盤表面圖像的灰度共生矩陣對比度特征值、拋光盤表面的摩擦系數、驅動電機的負載功率在拋光過程中隨著拋光時間的延長逐漸減小。灰度共生矩陣的對比度特征值、拋光盤表面的摩擦系數和拋光盤驅動電機的負載功率越大，材料去除系數越大，材料去除均勻性也越大。由此可知，瀝青拋光盤在拋光過程中發生鈍化，它對光學元件的材料去除能力逐漸減小，材料去除均勻性也會發生惡化，從而不利于光學元件面形誤差的收斂。由于灰度共生矩陣的對比度特征值、拋光盤表面的摩擦系數、拋光盤驅動電機的負載功率在拋光過程中隨著拋光盤表面的鈍化單調減小，具有一定的函數關系，因此均可用于表征瀝青拋光盤表面的鈍化狀態。

拋光盤表面鈍化狀態影響材料去除系數的大小及均勻性的原因與拋光盤表面對磨料顆粒的把持作用有關。實際加工過程中，拋光盤表面的磨料顆粒進入拋光接觸區域時受到拋光盤表面的把持力以及光學元件表面施加的摩擦阻力。如果把持力較大并且能夠持續保持，磨料顆粒就能持續前進進入拋光接觸區域的中間位置，從而在拋光接觸區域內具有良好的分布均勻性；如果把持力較小或者不能持續保持，磨料顆粒難以持續前進，使得拋光接觸區域中間位置的磨料顆粒較少。因此，磨料顆粒在拋光接觸區域的分布均勻性取決于拋光盤表面對磨料顆粒的把持力，把持力越大、持續時間越長，磨料顆粒的分布均勻性越好，材料去除系數的分布均勻性也就越好。拋光盤表面對磨料顆粒的把持力取決于拋光盤表面的粗糙程度，也就是它的鈍化狀態。因此，拋光盤表面的鈍化狀態通過影響磨料顆粒在拋光接觸區域內的分布均勻性，從而決定了材料去除系數的分布均勻性。

基于上述監測方法，可以實時監測拋光盤表面的鈍化狀態，并且根據其鈍化狀態適時對拋光盤表面進行修復。

5 全口徑環形拋光機床研制與實驗

基于全口徑環形拋光中面形誤差控制的要求，這里設計了5 m 全口徑環形拋光機床，如圖12 所示。機床的主體機構包括超大型氣浮轉臺和多功能橋架機構，采用超大型氣浮轉臺作為拋光盤，氣浮轉臺設置外齒圈與伺服電機的齒輪嚙合進行驅動，從而實現拋光盤的高精度平穩運行；在拋光盤上方設置四根橫梁一體連接的多功能橋架機構，依次設置拋光盤的檢測、修正和光學元件加工工位，從而實現拋光盤檢測和修正以及光學元件加工的多功能集成控制。機床整機采用西門子840D sl 數控系統實現各軸的聯動控制。

圖12 全口徑環形拋光機床示意圖Fig.12 Schematic of full-aperture continuous polishing machine

傳統的全口徑環形拋光機床采用機械滾動軸承，在高負載、長時間連續運行條件下磨損嚴重，旋轉運動精度和運行平穩性較差。本團隊提出和研制了超大尺寸重型氣浮轉臺用于全口徑環形拋光機床的拋光盤。氣浮轉臺采用新型內環均布節流孔和均勻槽以及徑向和外環均壓槽的綜合節流方式，設置內環均布節流孔，配合內環、徑向和外環均壓槽，實現了大口徑氣膜層的均勻分布；提出氣浮轉臺外齒圈驅動方式，大幅提升了氣浮轉臺的旋轉運動精度和運行平穩性。內環均布節流孔方便節流器的安裝，同時內環節流孔所在圓周設置均壓槽，進而通過徑向均壓槽連通至外環周向均壓槽，顯著提升了氣浮轉臺的承載能力和運動平穩性。

多功能橋架機構設置有4 根獨立的橫梁，4根橫梁的一端在拋光盤的中心位置裝配成一體連接，另一端固定在拋光盤外側的立柱上，從而確保橋架機構的整體剛度和穩定性。4 根獨立的橫梁形成5 個獨立的工位，包括修正盤工位、第1加工工位、第2 加工工位、拋光盤檢測工位以及小工具修正工位。其中，第1 根橫梁上設置用于控制大尺寸修正盤的工位；第2 根橫梁上設置用于加工光學元件的第1 加工工位以及用于拋光盤形狀誤差子口徑修正的小工具修正工位，第1 加工工位和小工具修正工位分別位于橫梁的兩側，可以實現獨立控制；第3 根橫梁上設置用于加工光學元件的第2 加工工位；第4 根橫梁上設置精密直線導軌作為拋光盤形狀誤差的檢測工位，并用于拋光盤的精密銑削和開槽，以及安裝用于監測拋光盤表面鈍化狀態的相機以拍攝拋光盤表面獲得其圖像。

采用上述多功能橋架機構實現拋光盤檢測和修正以及光學元件加工的多功能集成控制，對提升全口徑環形拋光工藝具有諸多優勢。其中，兩個加工工位保障了機床的利用效率；獨立的檢測橫梁安裝精密直線導軌用于檢測拋光盤的形狀誤差，從而提高了檢測導軌的直線度精度及其精度保持性；將銑刀安裝于精密直線導軌上用于拋光盤的精密銑削，并且采用小工具修正機構修正拋光盤形狀誤差的子口徑，結合大尺寸修正盤用于拋光盤形狀誤差的整體修正，顯著提升了拋光盤形狀誤差的控制穩定性。

研制的5 m 直徑全口徑環形拋光機床的技術指標如表1 所示。

表1 五米全口徑拋光機床的技術指標Tab.1 Technology parameters of Φ5 m continuous polisher

在5 m 全口徑環拋機床上開展了拋光實驗，采用前面提出的技術方法，通過機床數控系統主動精確控制拋光盤、工件盤和修正盤轉速，對拋光盤開設方形槽，然后定量檢測和修正拋光盤形狀誤差，并且修刮打毛拋光盤表面，加工800 mm×400 mm×100 mm 米級平面元件的面形PV 值優于λ/6，如圖13 所示。

圖13 加工米級平面元件的面形Fig.13 Surface figure of polished meter class flat element

6 結 論

本文圍繞全口徑環形拋光的面形誤差控制難題，研究了影響面形誤差的運動速度、拋光盤形狀誤差以及拋光盤表面鈍化狀態等工藝因素。首先，建立了基于運動軌跡有效弧長的環形拋光運動學模型，并且通過拋光實驗驗證了拋光盤開槽槽型對面形誤差的影響規律，即采用環形槽時容易產生環帶紋理，而采用方形槽、徑向槽和螺旋槽時元件表面較為勻滑；針對影響拋光壓力分布均勻性的拋光盤形狀誤差，提出了采用位移傳感器以螺旋路徑掃描拋光盤表面進而通過插值算法生成其表面形狀的方法，建立基于小工具的子口徑修正方法實現對拋光盤形狀誤差的定量修正，通過改善拋光盤形狀誤差顯著提升了元件面形精度；提出拋光盤表面鈍化狀態的監測方法，研究了拋光盤表面鈍化狀態對面形誤差的影響規律，即元件面形隨著拋光拋表面鈍化而逐漸惡化。在5 m 全口徑環形拋光機床上加工800 mm×400 mm×100 mm 米級平面光學元件，得到的面形PV 值優于λ/6。