離軸凸非球面反射鏡的加工與檢測(cè)技術(shù)

離軸凸非球面反射鏡的加工與檢測(cè)技術(shù)

1柔性“小磨頭”光學(xué)加工技術(shù)的應(yīng)用非球面光學(xué)元件的應(yīng)用，可以簡(jiǎn)化和擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、體積和重量，從而有效改善成像質(zhì)量。因此,非球面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而,非球面(特別是凸非球面)的加工和檢測(cè)難度要比球面大得多。常用的非球面加工技術(shù)包括:光學(xué)玻璃模壓技術(shù)、光學(xué)塑料成型技術(shù)、單點(diǎn)金剛石車(chē)削技術(shù)、ELID磨削技術(shù)、古典法修帶技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)以及離子束拋光技術(shù)等。前4種技術(shù)適合于中等精度非球面的加工,并可實(shí)現(xiàn)非球面的量產(chǎn)化,但還不能用來(lái)滿(mǎn)足空間光學(xué)系統(tǒng)中的高精度非球面反射鏡的加工要求。古典法修帶技術(shù)適合于回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的非球面的加工,不能用來(lái)加工離軸非球面。磁流變拋光是利用磁流變拋光液在磁場(chǎng)中發(fā)生流變而形成的柔性“小磨頭”進(jìn)行光學(xué)加工,是一種不錯(cuò)的加工方法,但這項(xiàng)研究成果在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟到可應(yīng)用于工程中的高精度非球面的加工。離子束拋光技術(shù)是一種高精度拋光方法,是在原子量級(jí)上實(shí)現(xiàn)對(duì)材料轟擊去除的,但這種拋光方法效率較低,一般用這種方法加工的非球面預(yù)先應(yīng)具備一定精度,且設(shè)備昂貴。因此,本文提出采用目前已較為成熟的計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)系統(tǒng)中高精度非球面反射鏡的加工。非球面的主要檢測(cè)方法有:輪廓測(cè)量法、無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)法、計(jì)算全息法、子口徑拼接法、零位補(bǔ)償檢測(cè)法等。輪廓測(cè)量法是檢測(cè)非球面面形常用的一種檢測(cè)方法,特別適合非球面在研磨階段的面形測(cè)量,常用的儀器有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、擺臂式輪廓儀等。二次曲面有一對(duì)無(wú)像差點(diǎn),利用二次曲面的這一特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)二次曲面面形的檢測(cè)。測(cè)量凸二次曲面時(shí),輔助鏡的尺寸一般要比被檢凸非球面尺寸大得多。計(jì)算全息圖(ComputerGeneratedHologram,CGH)最大的特點(diǎn)是只要物波的數(shù)學(xué)模型已知,就能產(chǎn)生實(shí)際上并不存在物體的衍射,精確提供非球面檢測(cè)所需的“標(biāo)準(zhǔn)零位補(bǔ)償樣板”。檢測(cè)凸非球面的CGH尺寸要大于凸非球面。因此,用于大尺寸凸非球面檢測(cè)的CGH制作困難。子孔徑拼接法是利用標(biāo)準(zhǔn)球面波前作為參考波面,用干涉法依次測(cè)量非球面各個(gè)區(qū)域的相位分布,然后通過(guò)子孔徑拼接算法重構(gòu)非球面全口徑面形分布。這種方法對(duì)調(diào)整機(jī)構(gòu)精度和拼接算法要求較高,且對(duì)于陡度大的非球面拼接困難。零位補(bǔ)償檢測(cè)法通過(guò)特定的非球面光學(xué)補(bǔ)償器,將干涉儀發(fā)出的平面波或球面波轉(zhuǎn)換成非球面波,經(jīng)被檢非球面反射后,再次通過(guò)光學(xué)補(bǔ)償器與干涉儀參考光干涉,從而獲取被檢非球面面形誤差及其分布。對(duì)于凸非球面檢測(cè),補(bǔ)償器的口徑要大于被檢凸非球面的口徑。為了能用小口徑光學(xué)補(bǔ)償器檢測(cè)大口徑非球面,可以采用背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)法。這種方法適用于透明光學(xué)材料的非球面檢測(cè),對(duì)光學(xué)材料折射率均勻性和背部輔助面的加工精度要求較高。針對(duì)離軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)中非球面次鏡為高陡度凸非球面、材料為折射率均勻性非常好的熔石英等特點(diǎn),本文采用背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)法對(duì)離軸凸非球面進(jìn)行檢測(cè)。2軸上的三個(gè)反射光學(xué)系統(tǒng)和非球俱樂(lè)部第二次鏡子2.1tma光學(xué)系統(tǒng)20世紀(jì)80年代,國(guó)外有人提出將離軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)(TMA)應(yīng)用于空間相機(jī)中。20世紀(jì)90年代,隨著大型光學(xué)設(shè)計(jì)軟件功能的不斷增強(qiáng)以及計(jì)算機(jī)控制光學(xué)加工技術(shù)的逐步成熟,這種光學(xué)系統(tǒng)逐漸被人們所接受。目前,TMA光學(xué)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于空間相機(jī)中。圖1為典型的離軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)光路圖,它由主鏡、次鏡、三鏡以及折疊鏡組成。主鏡和三鏡通常為凹的離軸非球面反射鏡,次鏡為凸非球面反射鏡,折疊鏡為高精度平面反射鏡。光線(xiàn)依次通過(guò)主鏡、次鏡、三鏡,再經(jīng)過(guò)折疊鏡到達(dá)像面成像。與兩鏡同軸非球面光學(xué)系統(tǒng)相比,離軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)具有大視場(chǎng)、無(wú)中心遮攔、筒長(zhǎng)與焦距的比值一般較小等優(yōu)點(diǎn),能夠滿(mǎn)足空間相機(jī)大視場(chǎng)、高分辨力、體積小和重量輕等性能的要求。2.2光學(xué)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)某離軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)中的次鏡是尺寸為176mm×110mm矩形口徑的離軸凸雙曲面反射鏡,反射鏡的背面是一個(gè)高精度平面。離軸凸雙曲面反射鏡的光學(xué)參數(shù)為:頂點(diǎn)曲率半徑R=895.27mm;二次曲面系數(shù)K=-4.256;離軸量為69.5mm。離軸凸雙曲面反射鏡的技術(shù)指標(biāo)為:有效口徑內(nèi)的面形精度RMS值優(yōu)于0.02λ(λ=0.6328μm);實(shí)際加工光軸與理論設(shè)計(jì)光軸的偏差小于10″。3非球面反射鏡的加工3.1非球面的加工由于非球面表面各個(gè)帶區(qū)的曲率半徑各不相同,因此非球面的加工不可能象平面或球面的加工那樣采用與被加工工件尺寸相當(dāng)?shù)哪ケP(pán)以古典法加工來(lái)實(shí)現(xiàn)。非球面有多種加工方法,目前較為成熟的是計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型(ComputerControlledOpticalSurfacing,CCOS)技術(shù),其加工原理是以定量的檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),通過(guò)計(jì)算機(jī)控制運(yùn)動(dòng)著的小磨頭在非球面表面不同位置的駐留時(shí)間、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面面形的修正。本文正是采用這種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)離軸凸非球面反射鏡的加工的。3.2非球面數(shù)控加工中心為了實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面反射鏡的加工,本研究小組自行研制了FSGJ系列非球面數(shù)控加工機(jī)床。比較有代表性的是FSGJ-2非球面數(shù)控加工中心,它是一臺(tái)建立在CCOS基礎(chǔ)上,集研磨、研磨階段的在線(xiàn)檢測(cè)以及拋光于一體的非球面自動(dòng)制造機(jī)床,其加工非球面的最大尺寸為Φ1000mm。圖2為FSGJ-2非球面數(shù)控加工中心的實(shí)物照片。FSGJ-2非球面數(shù)控加工中心主體結(jié)構(gòu)采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu),基座和龍門(mén)均采用了花崗巖材料。磨頭是依靠氣缸內(nèi)的氣壓來(lái)與工件接觸的,可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)來(lái)改變磨頭與工件間的相對(duì)壓力。為了滿(mǎn)足不同的加工要求,FSGJ-2采用了6個(gè)自由度聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng),6個(gè)自由度分別表示為X,Y,Z,U,V,W。其中X,Y,Z為平動(dòng)自由度;U,V,W為轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。這6個(gè)自由度相互配合使用確保了離軸凸非球面反射鏡的研磨、研磨階段的在線(xiàn)檢測(cè)以及拋光能順利實(shí)現(xiàn)。3.3非球面元件在加工工藝上,離軸非球面的制造方法主要有兩種:一種是“拼盤(pán)法”,就是將離軸非球面拼盤(pán)成一個(gè)同軸非球面,對(duì)這個(gè)同軸非球面進(jìn)行光學(xué)加工,加工完成后再將工件分離,獲得所需的非球面元件;另一種方法是對(duì)離軸非球面元件直接進(jìn)行加工,獲得所需表面。對(duì)鏡面尺寸和離軸量都比較小的離軸凸非球面次鏡采用“拼盤(pán)法”進(jìn)行加工,拼盤(pán)后母鏡面尺寸只有Φ310mm,適合數(shù)控加工,且可同時(shí)加工出兩塊次鏡,加工完畢拆盤(pán)后,只需對(duì)單鏡略加修拋即可達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。使用本研究小組編制的離軸非球面最接近球面半徑求解的通用程序?qū)ζ幢P(pán)后的非球面母鏡進(jìn)行計(jì)算求解,得到如圖3所示的結(jié)果。從圖3中可以看到,最接近球面的半徑為916.11mm,非球面與最接近球面的最大偏差為158.273μm。4軸凸非球面反射鏡的檢測(cè)4.1研磨與輪廓檢測(cè)研磨階段非球面的面形誤差較大,一般在數(shù)百個(gè)微米,有的甚至到毫米量級(jí),此時(shí)一般采用輪廓測(cè)量法進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)上面的計(jì)算可知,拼盤(pán)非球面母鏡的面形誤差PV值為158.273μm。離軸凸非球面反射鏡采用“拼盤(pán)法”進(jìn)行加工,拼盤(pán)非球面母鏡的研磨與輪廓檢測(cè)是在FSGJ-2非球面數(shù)控加工中心進(jìn)行的。FSGJ-2非球面數(shù)控加工中心同時(shí)具有小磨頭加工功能和反射鏡面形輪廓檢測(cè)功能,并可實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)坐標(biāo)系的自動(dòng)切換。當(dāng)完成對(duì)非球面反射鏡面形的輪廓檢測(cè)后,將定量的檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加工文件,同時(shí)將檢測(cè)坐標(biāo)系切換成加工坐標(biāo)系,對(duì)非球面反射鏡進(jìn)行數(shù)控加工,完成一個(gè)加工周期再切換成檢測(cè)坐標(biāo)系對(duì)反射鏡進(jìn)行檢測(cè)。拼盤(pán)非球面母鏡的輪廓檢測(cè)是通過(guò)測(cè)頭傳感器對(duì)非球面表面進(jìn)行極坐標(biāo)系下或直角坐標(biāo)系下的離散點(diǎn)采樣測(cè)量。測(cè)量完成后,以采樣點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)重構(gòu)非球面的面形,并將其與理論設(shè)計(jì)的理想非球面進(jìn)行比較,得到被檢測(cè)非球面的面形誤差,進(jìn)而指導(dǎo)對(duì)非球面的加工,實(shí)現(xiàn)對(duì)其面形誤差的修正。經(jīng)過(guò)多個(gè)研磨周期后,拼盤(pán)非球面母鏡的面形精度RMS值低于1μm便可以轉(zhuǎn)到拋光工序。4.2離軸凸非球面反射鏡檢測(cè)在FSGJ-2非球面數(shù)控加工中心對(duì)拼盤(pán)非球面母鏡進(jìn)行幾個(gè)周期的拋光,表面即可達(dá)到激光干涉儀檢驗(yàn)的條件。由于激光干涉儀只能發(fā)出平面波或者球面波,必須經(jīng)過(guò)波前波面的轉(zhuǎn)換,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面的測(cè)量。理論分析和大量的工程實(shí)踐顯示,Offner補(bǔ)償器能夠?qū)Υ笙鄬?duì)孔徑非球面提供很好的補(bǔ)償。因此,對(duì)于空間相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中的大相對(duì)孔徑的離軸非球面的檢驗(yàn),Offner補(bǔ)償器是最佳選擇。拼盤(pán)非球面母鏡是口徑為Φ310mm的凸雙曲面,若采用普通的零位補(bǔ)償法檢測(cè)就必須制作口徑大于Φ310mm的Offner補(bǔ)償器,難度相當(dāng)大。因此,本文提出采用背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)方法對(duì)這塊非球面反射鏡進(jìn)行檢測(cè)。圖4是背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)同軸非球面母鏡的光路圖,其檢測(cè)原理是:由干涉儀發(fā)出的平行光束經(jīng)過(guò)Offner補(bǔ)償器后,轉(zhuǎn)變?yōu)榉乔蛎娌?然后透過(guò)非球面反射鏡的背部平面,折射到被檢測(cè)的非球面上,由非球面反射后,再依次通過(guò)非球面反射鏡的背部平面和Offner補(bǔ)償器回到干涉儀,與參考光進(jìn)行干涉形成干涉條紋。在背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)中非球面背部表面也作為補(bǔ)償器的一部分。因此,背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)除了要考慮Offner補(bǔ)償器制造精度外,還要保證非球面反射鏡背部平面精度以及反射鏡材料均勻性,并在加工過(guò)程中嚴(yán)格控制非球面反射鏡的厚度和平面與非球面的偏心。加工完畢后,應(yīng)給出各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的符合程度。拼盤(pán)非球面反射鏡加工到約λ/20RMS值時(shí),須對(duì)反射鏡拆盤(pán),再對(duì)單塊離軸凸非球面反射鏡進(jìn)行單獨(dú)數(shù)控加工。圖5為拆盤(pán)后用背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)離軸凸非球面反射鏡的光路圖。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的拋光,得到如圖6所示的離軸凸非球面反射鏡最終的面形檢測(cè)結(jié)果。從圖6可知反射鏡有效口徑內(nèi)面形精度均方根值為0.017λ(λ=0.6328μm),滿(mǎn)足光學(xué)設(shè)計(jì)提出的λ/50的技術(shù)指標(biāo)。在離軸凸非球面反射鏡背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)中,反射鏡本身就是零位補(bǔ)償器的一部分。因此,僅僅離軸凸非球面反射鏡的面形精度滿(mǎn)足要求還不夠,還要考查反射鏡的其它指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。表1給出了離軸凸非球面反射鏡材料的不均勻性、厚度、偏心、背部平面面形精度和非球面面形精度實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)公差對(duì)比情況,各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值均符合設(shè)計(jì)要求。因此,所加工的離軸凸非球面完全符合設(shè)計(jì)要求。4.3檢測(cè)非球面的光軸精度離軸凸非球面反射鏡是離軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)(TMA)中的次鏡,整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)是以次鏡為基準(zhǔn)的。同時(shí),離軸凸非球面反射鏡的檢測(cè)采用的是背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè),反射鏡光軸精度誤差會(huì)引入像差(主要是彗差),從而引起離軸凸非球面加工誤差。因此,在加工過(guò)程中控制離軸凸非球面反射鏡的光軸精度十分必要。非球面的加工是以檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)的數(shù)控加工。因此,控制好檢測(cè)過(guò)程中的離軸凸非球面反射鏡的光軸精度,就可以在加工過(guò)程中有效地控制非球面反射鏡的光軸精度。圖4是背部透射零位補(bǔ)償檢測(cè)非球面的光路圖。從圖4可以看到由干涉儀發(fā)出的是平面波,利用這一基本特性,當(dāng)檢測(cè)光路基本調(diào)好后,撤去Offner補(bǔ)償器,用干涉儀直接檢測(cè)離軸凸非球面反射鏡的背部平面,調(diào)節(jié)非球面使干涉儀的視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)零條紋,這說(shuō)明離軸凸非球面反射鏡的背部平面與干涉儀標(biāo)準(zhǔn)平面鏡嚴(yán)格平行。然后將補(bǔ)償器移入,調(diào)節(jié)補(bǔ)償器,使補(bǔ)償器的光軸與干涉儀的標(biāo)準(zhǔn)平面垂直,并用激光測(cè)距儀監(jiān)視補(bǔ)償器與非球面反射鏡的相對(duì)位置,將位置誤差控制在設(shè)計(jì)允差范圍內(nèi)。這樣,就可以確保補(bǔ)償器的光軸與非球面反射鏡光軸的同軸度。離軸凸非球面反射鏡加工完成后,用Leica經(jīng)緯儀檢測(cè)其光軸精度為9.4″,滿(mǎn)足理論設(shè)計(jì)光軸偏差小于10″的要求。5fsgj非球面的檢測(cè)算法本文對(duì)離軸凸非球面反射鏡的加工與檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。介紹了離軸凸非球面反射鏡所在的離軸三反消像散光學(xué)系統(tǒng)以及離軸凸非球面反射鏡的光學(xué)參數(shù)和技術(shù)要求。描述了非球面CCOS技