大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測技術研究

摘" 要：空間非球面反射鏡在現代光學系統中發揮著重要作用，然而其復雜的曲率和大口徑特性使得其加工和檢測變得更加困難和復雜。該文研究當前大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測技術的最新進展和應用。通過對這些技術的研究，該文為提高大口徑空間非球面反射鏡的加工和檢測質量提供重要的參考和指導。

關鍵詞：大口徑空間非球面反射鏡；加工技術；檢測技術；表面質量；加工質量

中圖分類號：TH74" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0030-04

Abstract： Space aspheric mirror plays an important role in modern optical system， but its complex curvature and large-aperture characteristics make its processing and detection more difficult and complex. This paper studies the latest development and application of processing and testing technology of large-aperture space aspherical mirror. Through the study of these technologies， this paper provides an important reference and guidance for improving the processing and testing quality of large-aperture space aspheric mirrors.

Keywords： large-aperture space aspheric mirror; processing technology; testing technology; surface quality; machining quality

隨著空間科學和工程的發展，對于光學系統的要求越來越高。空間非球面反射鏡作為光學系統中的重要組成部分，具有能夠準確聚焦和投射光線的功能，扮演著關鍵的角色。相比于傳統的球面鏡，非球面反射鏡能夠有效糾正光線的畸變，提升光學系統的成像質量和系統的整體性能，然而，大口徑空間非球面反射鏡的加工和檢測面臨著諸多挑戰[1]。因此，本文旨在研究大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測技術，探索一種快速、高效、精確的加工方法，并開發一種能夠滿足大口徑反射鏡表面形貌測量和相位測量要求的檢測技術。通過對當前大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測技術的調研和分析，本文將提出一種創新的加工和檢測方法，為大口徑空間非球面反射鏡的制造和應用提供技術支持。

1" 大口徑空間非球面反射鏡的應用領域

大口徑空間非球面反射鏡具有多種應用領域。天文望遠鏡：大口徑空間非球面反射鏡被廣泛應用于天文望遠鏡中。它們能夠提供更高的分辨率和觀測靈敏度，使天文學家能夠更精確地觀測和研究天體，從而深入探索宇宙的奧秘。衛星通信，大口徑空間非球面反射鏡在衛星通信系統中扮演著重要角色。通過調整非球面反射鏡的形狀，可以實現對信號的聚焦和聚集，提高通信質量和傳輸速率。同時，非球面反射鏡還能夠減少多徑干擾，提高信號接收的可靠性。激光技術，大口徑空間非球面反射鏡在激光技術中也有廣泛的應用。它們被用于實現高精度的激光測量和探測，包括光學測距、激光雷達和光學相干斷層掃描等[2]。通過調整非球面反射鏡的形狀和曲率，可以實現光線的精確聚焦和調節。光學測量和儀器研究：大口徑空間非球面反射鏡在光學測量和儀器研究領域也有重要應用。它們可以作為光學儀器的核心部件，用于實現高精度的測量和控制。同時，非球面反射鏡還能夠減少光學畸變和像差，提高測量的準確性和可靠性。總的來說，大口徑空間非球面反射鏡具有廣泛的應用領域，在天文學、航天科學、激光技術、光學測量和儀器研究等領域發揮著重要作用。它們的優異性能和精確性能滿足了高分辨率圖像和高精度測量的需求，為科學研究和工程應用提供了重要支持。

2" 大口徑空間非球面反射鏡的加工技術

2.1" 傳統加工方法分析

傳統的大口徑空間非球面反射鏡加工技術主要包括機械加工和光學加工2種方法，這些傳統加工方法在一定程度上能夠實現非球面反射鏡的加工，但仍存在一些限制和不足之處。機械加工：傳統的機械加工方法使用機床和刀具對非球面反射鏡進行切削和修磨。這種方法相對簡單，適用于對非球面反射鏡進行粗加工。但由于非球面反射鏡的復雜形狀，在機械加工過程中很難實現高精度加工。機械加工容易導致鏡面形狀誤差和表面粗糙度過高，影響光學性能。光學加工：光學加工方法包括研磨和拋光，能夠更好地控制非球面反射鏡的形狀和光學性能。研磨是將非球面反射鏡放置在研磨盤或研磨機上，利用研磨粉末和研磨液對反射鏡表面進行磨削。拋光是在研磨后使用拋光盤或拋光機進行進一步的平滑和磨光。光學加工方法能夠獲得較高的表面質量和精度。然而，光學加工過程需要耗費大量時間和勞動力，并且更容易受到環境因素和人為因素的影響，導致加工誤差和表面瑕疵。傳統加工方法的局限性主要表現在以下幾個方面。無法滿足高精度要求，非球面反射鏡一般要求具有高精度的形狀和表面質量，傳統的機械加工和光學加工方法很難滿足這一要求。機械加工容易導致鏡面形狀誤差和表面粗糙度過高，而光學加工則受到環境因素和人為因素的影響，導致加工誤差和表面瑕疵。加工效率較低，傳統的機械加工和光學加工方法需要耗費大量時間和勞動力，加工效率較低。特別是對于大口徑的非球面反射鏡，加工周期很長，無法滿足工程和生產的需求。加工成本較高，傳統的加工方法需要較高的設備投入和人力資源，加工成本較高，同時，加工過程中往往需要耗費大量的研磨粉末和研磨液，加大了材料成本。總之，傳統的大口徑空間非球面反射鏡加工技術在精度、效率和成本等方面存在一定的局限性[3-4]。因此，研究人員一直在探索新的改進的加工方法，以提高加工效率和精度，降低加工成本。

2.2" 單點金剛石車削技術

單點金剛石車削技術（SPDT）是一種常用于非球面反射鏡加工的精密加工方法，其通過使用特殊的車削工具，將金剛石切削刃放置在非球面反射鏡的表面上，并進行旋轉和移動，以實現對非球面反射鏡形狀的修磨和加工。單點金剛石車削技術相比傳統的機械加工和光學加工方法具有以下優勢。高精度加工：由于金剛石切削刃的硬度和尖銳度，單點金剛石車削技術可以實現非常高的加工精度。它能夠精確控制切削刀具的位置、角度和移動速度，從而實現非球面反射鏡的形狀和表面質量的高精度加工。高效率加工：單點金剛石車削技術具有較高的加工效率。相比光學加工方法需要多次研磨和拋光的過程，單點金剛石車削可以在一次車削中完成加工。而且，由于金剛石的硬度，切削刃的壽命較長，減少了換刀、調整和修整的次數，提高了生產效率。低表面粗糙度：單點金剛石車削技術能夠獲得非常低的表面粗糙度。由于金剛石切削刃的尖銳度，它可以在車削過程中實現微小的切削量和光滑的切削表面，從而獲得較低的表面粗糙度。以加工反射鏡為鋁合金非球面反射鏡為例，口徑為∮235 mm，除工作面外主體均為凹槽結構，無法用彈性夾頭或黏接等方式裝夾，因此設計和加工一整套專用工裝，如圖1所示。

為了處理口徑超過∮200 mm、弧高超過25 mm的反射鏡零件，制作了∮150 mm的調刀件來調整面形。通過不斷調整切削參數，實現了調刀件的PV（峰谷值）小于0.3 mm，RMS（均方根）小于0.03 mm的要求。然后，對實際反射鏡進行車削，利用機床的穩定性保證反射鏡的面形質量，并達到了較好的表面質量，刀紋和彩環較弱。這一過程中，調刀件起到了關鍵作用，通過調整切削參數來滿足面形和表面質量的要求。由于現場檢測設備無法對面形進行全口徑測量，通過制作調刀件可以將面形調整到符合要求的水平，然后應用相同的切削參數來加工實際反射鏡，保證了面形質量的穩定性。此外，提到零件完工后表面質量較好，刀紋和彩環較弱，表明整個加工過程中對表面質量的控制比較好，反射鏡零件的表面光滑度較高。

2.3" 等離子體脈沖激光加工技術

大口徑空間非球面反射鏡是一種特殊的光學元件，用于將入射光線聚焦或平行化。由于其復雜的曲面形態和大尺寸，傳統的機械加工方法難以實現高精度的加工，因此等離子體脈沖激光加工技術被廣泛應用于大口徑空間非球面反射鏡的加工中。等離子體脈沖激光加工技術可以在非球面反射鏡的表面形成等離子體，并利用等離子體的高能量密度來實現材料的去除和形變。具體加工過程如下。光學設計：根據應用要求和光學系統設計要求，確定非球面反射鏡的設計參數，包括曲率半徑、折射率、尺寸等。激光加工系統配置：選擇適當的等離子體脈沖激光加工系統，包括激光源、光束傳輸系統、聚焦系統等。確保激光束具有足夠的能量密度和穩定性。等離子體形成：將激光束聚焦到非球面反射鏡表面，形成高能量密度的等離子體。等離子體的形成可以通過調整激光束的焦點位置、功率和脈沖寬度等參數來控制。材料去除和形變：等離子體脈沖激光加工技術可以通過脈沖能量和作用時間的控制，實現材料的去除和形變[5]。在加工過程中，激光束的掃描和控制系統可以根據設計要求對曲面進行精細加工和修整。加工檢測和修正：加工結束后，需要對加工結果進行檢測和評估。根據檢測結果，可以對加工參數進行調整和修正，以滿足光學設計要求。等離子體脈沖激光加工技術具有高加工精度、非接觸加工、適用于大尺寸和復雜曲面的優點，被廣泛應用于大口徑空間非球面反射鏡的加工過程中，提高了加工效率和產品質量。

2.4" 加工參數優化

在大口徑空間非球面反射鏡的加工過程中，加工參數的優化對于實現高精度加工非常重要。激光功率：激光功率是指激光束在單位時間內傳遞給工件的能量，直接影響到等離子體形成和能量密度的大小。在選擇激光功率時，需要考慮工件材料的吸收率、加工速度和加工精度等因素，一般來說，低功率適合于細小結構的加工，高功率適合于快速去除大量材料。脈沖寬度：脈沖寬度是指激光脈沖持續的時間，在等離子體形成和材料去除過程中起到關鍵的作用。較短的脈沖寬度可以減少熱輸入和熱影響區，提高加工精度。然而，過短的脈沖寬度也會增加能量密度，導致材料汽化或產生過多的氣體等問題。掃描速度：掃描速度是指激光在工件表面運動的速度，直接影響到材料去除和形變的程度。過慢的掃描速度會導致過熱區域擴散，影響加工質量和加工速度。而過快的掃描速度則會降低加工精度和表面質量。焦點位置：焦點位置是指激光束聚焦在工件表面的位置。合適的焦點位置可以實現最佳加工效果。在非球面反射鏡的加工中，要根據曲面形狀和需要加工的區域選擇合適的焦距和焦點位置，以確保等離子體的形成和能量輸入的均勻性。在優化加工參數時，可以通過實驗和仿真來進行定量分析和評估[6]。同時，還可以結合加工經驗和專業知識，對加工參數進行實際調整和改進。最終的目標是實現加工精度提高、加工速度增加和表面質量改善等方面的綜合優化。

3" 大口徑空間非球面反射鏡的檢測技術

大口徑空間非球面反射鏡的面形檢測可以采用接觸式和非接觸式測量方法。接觸式測量方法常用的是輪廓儀，輪廓儀可以通過機械探針或光學傳感器等進行測量。通過將測量探針或傳感器接觸到反射鏡表面，可以獲取表面的幾何信息，如高度、曲率、角度等。輪廓儀在測量大口徑反射鏡面形時，需要考慮到儀器的量程和測量精度，選擇適當的輪廓儀進行測量。雖然輪廓儀測量速度快、方便且成本較低，但由于是接觸式測量，對于外觀要求較高的反射鏡（如光學鏡片）可能會在表面劃出細微的劃痕，影響表面質量。非接觸式測量方法常用的是干涉儀或陰影法。干涉儀測量的原理是利用光的干涉效應來獲取反射鏡表面形貌的信息，適用于非接觸式高精度的測量。可以使用光纖干涉儀、白光干涉儀或激光干涉儀等來進行測量。陰影法則是通過觀察光源在反射鏡表面產生的亮暗條紋模式來推斷出反射鏡的形狀。這些方法都可以在測量過程中不接觸反射鏡表面，因此不會對表面質量產生損害。對于大口徑反射鏡的面形測量，由于儀器的限制，輪廓儀常常難以滿足需求，而干涉儀或陰影法則能夠在大口徑范圍內進行高精度的非接觸式測量，因此更為推薦。需要根據具體的加工要求和質量要求，選擇合適的測量方法進行面形檢測。

使用干涉儀進行非球面反射鏡的面形測量需要加工專用的補償器。補償器的作用是在干涉測量時，通過調整光程差的大小，使得干涉條紋在干涉儀的接收器上形成明暗交替的干涉圖案。通過觀察和分析干涉圖案，可以推斷出反射鏡面形的信息。補償器的精度對干涉測量結果的準確性有著重要的影響。補償器的制備需要高精度的加工和校準。通常，為了確保補償器的精度，會使用精密加工設備和精密傳感器來加工和校準補償器。在加工過程中，需要精確控制補償器的尺寸、形狀和光學特性，以確保測量結果的準確性。測量過程中調校補償器相對復雜，需要根據具體測量要求對補償器進行調整。調校的過程包括調整補償器的位置、角度和形狀等。這些調整操作需要對干涉儀的工作原理和補償器的特性有較深入的理解和經驗。干涉儀測量非球面反射鏡的面形具有非接觸式、高精度和可重復性好的特點，適用于大口徑反射鏡的面形檢測。但也需要考慮到補償器的制備和調校的復雜性，以及測量過程中對儀器和環境的要求。因此，在進行非球面反射鏡加工過程中，需要根據具體要求和實際情況選擇合適的測量方法。

例如針對∮150 mm反射鏡的SPDT加工過程，采用了Taylor Hobson公司PGI1240輪廓儀進行面形測量。通過測量結果，對機床進行參數調整，直到在不進行任何補償的情況下，將調刀件的面形精度控制在PV小于0.3 mm和RMS小于0.03 mm的范圍內。PGI1240輪廓儀是一種高精度的測量儀器，可以測量和分析物體的輪廓、形狀和表面特征。使用該輪廓儀進行面形測量的過程相對方便快捷，因為它本身配備了所需的傳感器和軟件來獲取并分析測量數據。通過移動測量探頭，可以在不接觸被測表面的情況下獲取高精度的面形數據。通過對調刀件進行輪廓儀測量，可以獲得其表面的幾何形狀和表面狀況信息。根據測量結果，可以評估反射鏡的面形偏差，并針對機床參數進行調整，以控制面形精度在PV小于0.3 mm和RMS小于0.03 mm的范圍內。這樣可以確保反射鏡在光學應用中具有良好的表面質量和光學性能。

4" 結束語

大口徑空間非球面反射鏡的加工與檢測技術的改進可以提高其加工效率和表面質量。通過綜合分析現有技術的優缺點和挑戰，提出了一種改進的加工方法，并探索了新興的檢測技術，本研究為大口徑空間非球面反射鏡的加工與檢測技術提供了新思路和方法，為相關領域的研究者和工程師提供了重要的參考和指導。希望這項研究能對未來的研究和實踐產生積極的影響，并為推動光學技術的發展做出貢獻。

參考文獻：

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