大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測技術(shù)研究

摘" 要：空間非球面反射鏡在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，然而其復(fù)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(fù)雜。該文研究當(dāng)前大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測技術(shù)的最新進展和應(yīng)用。通過對這些技術(shù)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(zhì)量提供重要的參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：大口徑空間非球面反射鏡；加工技術(shù)；檢測技術(shù)；表面質(zhì)量；加工質(zhì)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(xué)和工程的發(fā)展，對于光學(xué)系統(tǒng)的要求越來越高。空間非球面反射鏡作為光學(xué)系統(tǒng)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(guān)鍵的角色。相比于傳統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和系統(tǒng)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(zhàn)[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(shù)，探索一種快速、高效、精確的加工方法，并開發(fā)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(shù)。通過對當(dāng)前大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測技術(shù)的調(diào)研和分析，本文將提出一種創(chuàng)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(yīng)用提供技術(shù)支持。

1" 大口徑空間非球面反射鏡的應(yīng)用領(lǐng)域

大口徑空間非球面反射鏡具有多種應(yīng)用領(lǐng)域。天文望遠鏡：大口徑空間非球面反射鏡被廣泛應(yīng)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(xué)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(wèi)星通信，大口徑空間非球面反射鏡在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中扮演著重要角色。通過調(diào)整非球面反射鏡的形狀，可以實現(xiàn)對信號的聚焦和聚集，提高通信質(zhì)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(shù)，大口徑空間非球面反射鏡在激光技術(shù)中也有廣泛的應(yīng)用。它們被用于實現(xiàn)高精度的激光測量和探測，包括光學(xué)測距、激光雷達和光學(xué)相干斷層掃描等[2]。通過調(diào)整非球面反射鏡的形狀和曲率，可以實現(xiàn)光線的精確聚焦和調(diào)節(jié)。光學(xué)測量和儀器研究：大口徑空間非球面反射鏡在光學(xué)測量和儀器研究領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。它們可以作為光學(xué)儀器的核心部件，用于實現(xiàn)高精度的測量和控制。同時，非球面反射鏡還能夠減少光學(xué)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(yīng)用領(lǐng)域，在天文學(xué)、航天科學(xué)、激光技術(shù)、光學(xué)測量和儀器研究等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。它們的優(yōu)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(xué)研究和工程應(yīng)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(shù)

2.1" 傳統(tǒng)加工方法分析

傳統(tǒng)的大口徑空間非球面反射鏡加工技術(shù)主要包括機械加工和光學(xué)加工2種方法，這些傳統(tǒng)加工方法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)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(fù)雜形狀，在機械加工過程中很難實現(xiàn)高精度加工。機械加工容易導(dǎo)致鏡面形狀誤差和表面粗糙度過高，影響光學(xué)性能。光學(xué)加工：光學(xué)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(xué)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(xué)加工方法能夠獲得較高的表面質(zhì)量和精度。然而，光學(xué)加工過程需要耗費大量時間和勞動力，并且更容易受到環(huán)境因素和人為因素的影響，導(dǎo)致加工誤差和表面瑕疵。傳統(tǒng)加工方法的局限性主要表現(xiàn)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(zhì)量，傳統(tǒng)的機械加工和光學(xué)加工方法很難滿足這一要求。機械加工容易導(dǎo)致鏡面形狀誤差和表面粗糙度過高，而光學(xué)加工則受到環(huán)境因素和人為因素的影響，導(dǎo)致加工誤差和表面瑕疵。加工效率較低，傳統(tǒng)的機械加工和光學(xué)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(chǎn)的需求。加工成本較高，傳統(tǒng)的加工方法需要較高的設(shè)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(tǒng)的大口徑空間非球面反射鏡加工技術(shù)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(shù)

單點金剛石車削技術(shù)（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(zhuǎn)和移動，以實現(xiàn)對非球面反射鏡形狀的修磨和加工。單點金剛石車削技術(shù)相比傳統(tǒng)的機械加工和光學(xué)加工方法具有以下優(yōu)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(shù)可以實現(xiàn)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(xiàn)非球面反射鏡的形狀和表面質(zhì)量的高精度加工。高效率加工：單點金剛石車削技術(shù)具有較高的加工效率。相比光學(xué)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(diào)整和修整的次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。低表面粗糙度：單點金剛石車削技術(shù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，無法用彈性夾頭或黏接等方式裝夾，因此設(shè)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(diào)刀件來調(diào)整面形。通過不斷調(diào)整切削參數(shù)，實現(xiàn)了調(diào)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(wěn)定性保證反射鏡的面形質(zhì)量，并達到了較好的表面質(zhì)量，刀紋和彩環(huán)較弱。這一過程中，調(diào)刀件起到了關(guān)鍵作用，通過調(diào)整切削參數(shù)來滿足面形和表面質(zhì)量的要求。由于現(xiàn)場檢測設(shè)備無法對面形進行全口徑測量，通過制作調(diào)刀件可以將面形調(diào)整到符合要求的水平，然后應(yīng)用相同的切削參數(shù)來加工實際反射鏡，保證了面形質(zhì)量的穩(wěn)定性。此外，提到零件完工后表面質(zhì)量較好，刀紋和彩環(huán)較弱，表明整個加工過程中對表面質(zhì)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(shù)

大口徑空間非球面反射鏡是一種特殊的光學(xué)元件，用于將入射光線聚焦或平行化。由于其復(fù)雜的曲面形態(tài)和大尺寸，傳統(tǒng)的機械加工方法難以實現(xiàn)高精度的加工，因此等離子體脈沖激光加工技術(shù)被廣泛應(yīng)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(shù)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(xiàn)材料的去除和形變。具體加工過程如下。光學(xué)設(shè)計：根據(jù)應(yīng)用要求和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計要求，確定非球面反射鏡的設(shè)計參數(shù)，包括曲率半徑、折射率、尺寸等。激光加工系統(tǒng)配置：選擇適當(dāng)?shù)牡入x子體脈沖激光加工系統(tǒng)，包括激光源、光束傳輸系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)等。確保激光束具有足夠的能量密度和穩(wěn)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(diào)整激光束的焦點位置、功率和脈沖寬度等參數(shù)來控制。材料去除和形變：等離子體脈沖激光加工技術(shù)可以通過脈沖能量和作用時間的控制，實現(xiàn)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(tǒng)可以根據(jù)設(shè)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(jié)束后，需要對加工結(jié)果進行檢測和評估。根據(jù)檢測結(jié)果，可以對加工參數(shù)進行調(diào)整和修正，以滿足光學(xué)設(shè)計要求。等離子體脈沖激光加工技術(shù)具有高加工精度、非接觸加工、適用于大尺寸和復(fù)雜曲面的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)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(chǎn)品質(zhì)量。

2.4" 加工參數(shù)優(yōu)化

在大口徑空間非球面反射鏡的加工過程中，加工參數(shù)的優(yōu)化對于實現(xiàn)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(xù)的時間，在等離子體形成和材料去除過程中起到關(guān)鍵的作用。較短的脈沖寬度可以減少熱輸入和熱影響區(qū)，提高加工精度。然而，過短的脈沖寬度也會增加能量密度，導(dǎo)致材料汽化或產(chǎn)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(dǎo)致過熱區(qū)域擴散，影響加工質(zhì)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(zhì)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(xiàn)最佳加工效果。在非球面反射鏡的加工中，要根據(jù)曲面形狀和需要加工的區(qū)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(yōu)化加工參數(shù)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(jié)合加工經(jīng)驗和專業(yè)知識，對加工參數(shù)進行實際調(diào)整和改進。最終的目標是實現(xiàn)加工精度提高、加工速度增加和表面質(zhì)量改善等方面的綜合優(yōu)化。

3" 大口徑空間非球面反射鏡的檢測技術(shù)

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(xué)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(dāng)?shù)妮喞獌x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(xué)鏡片）可能會在表面劃出細微的劃痕，影響表面質(zhì)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(yīng)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(chǎn)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(zhì)量產(chǎn)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(nèi)進行高精度的非接觸式測量，因此更為推薦。需要根據(jù)具體的加工要求和質(zhì)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(diào)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(jié)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(shè)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(xué)特性，以確保測量結(jié)果的準確性。測量過程中調(diào)校補償器相對復(fù)雜，需要根據(jù)具體測量要求對補償器進行調(diào)整。調(diào)校的過程包括調(diào)整補償器的位置、角度和形狀等。這些調(diào)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(jīng)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(fù)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(diào)校的復(fù)雜性，以及測量過程中對儀器和環(huán)境的要求。因此，在進行非球面反射鏡加工過程中，需要根據(jù)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(jié)果，對機床進行參數(shù)調(diào)整，直到在不進行任何補償?shù)那闆r下，將調(diào)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(nèi)。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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。通過對調(diào)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(jù)測量結(jié)果，可以評估反射鏡的面形偏差，并針對機床參數(shù)進行調(diào)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(nèi)。這樣可以確保反射鏡在光學(xué)應(yīng)用中具有良好的表面質(zhì)量和光學(xué)性能。

4" 結(jié)束語

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

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