大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展和應(yīng)用。通過對(duì)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(cè)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(cè)技術(shù)；表面質(zhì)量；加工質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TH74" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(duì)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(zhǔn)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(cè)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(cè)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(cè)量和相位測(cè)量要求的檢測(cè)技術(shù)。通過對(duì)當(dāng)前大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測(cè)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(cè)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(yuǎn)鏡：大口徑空間非球面反射鏡被廣泛應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡中。它們能夠提供更高的分辨率和觀測(cè)靈敏度，使天文學(xué)家能夠更精確地觀測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的聚焦和聚集，提高通信質(zhì)量和傳輸速率。同時(shí)，非球面反射鏡還能夠減少多徑干擾，提高信號(hào)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(shí)現(xiàn)高精度的激光測(cè)量和探測(cè)，包括光學(xué)測(cè)距、激光雷達(dá)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(shí)現(xiàn)光線的精確聚焦和調(diào)節(jié)。光學(xué)測(cè)量和儀器研究：大口徑空間非球面反射鏡在光學(xué)測(cè)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(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量和控制。同時(shí)，非球面反射鏡還能夠減少光學(xué)畸變和像差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性?？偟膩碚f，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(cè)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(cè)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(jī)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(jī)械加工：傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法使用機(jī)床和刀具對(duì)非球面反射鏡進(jìn)行切削和修磨。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于對(duì)非球面反射鏡進(jìn)行粗加工。但由于非球面反射鏡的復(fù)雜形狀，在機(jī)械加工過程中很難實(shí)現(xiàn)高精度加工。機(jī)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(jī)上，利用研磨粉末和研磨液對(duì)反射鏡表面進(jìn)行磨削。拋光是在研磨后使用拋光盤或拋光機(jī)進(jìn)行進(jìn)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(fèi)大量時(shí)間和勞動(dòng)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(gè)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(jī)械加工和光學(xué)加工方法很難滿足這一要求。機(jī)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(jī)械加工和光學(xué)加工方法需要耗費(fèi)大量時(shí)間和勞動(dòng)力，加工效率較低。特別是對(duì)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(shí)，加工過程中往往需要耗費(fèi)大量的研磨粉末和研磨液，加大了材料成本?？傊?，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(jìn)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(diǎn)金剛石車削技術(shù)

單點(diǎn)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面反射鏡形狀的修磨和加工。單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)相比傳統(tǒng)的機(jī)械加工和光學(xué)加工方法具有以下優(yōu)勢(shì)。高精度加工：由于金剛石切削刃的硬度和尖銳度，單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)可以實(shí)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(dòng)速度，從而實(shí)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：?jiǎn)吸c(diǎn)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(diǎn)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：?jiǎn)吸c(diǎn)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(shí)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(jì)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(shí)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(duì)實(shí)際反射鏡進(jìn)行車削，利用機(jī)床的穩(wěn)定性保證反射鏡的面形質(zhì)量，并達(dá)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(chǎng)檢測(cè)設(shè)備無法對(duì)面形進(jìn)行全口徑測(cè)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(shí)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(gè)加工過程中對(duì)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(jī)械加工方法難以實(shí)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(shí)現(xiàn)材料的去除和形變。具體加工過程如下。光學(xué)設(shè)計(jì)：根據(jù)應(yīng)用要求和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，確定非球面反射鏡的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)間的控制，實(shí)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(jì)要求對(duì)曲面進(jìn)行精細(xì)加工和修整。加工檢測(cè)和修正：加工結(jié)束后，需要對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，可以對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正，以滿足光學(xué)設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(duì)于實(shí)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(shí)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(shí)，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(xì)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(shí)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(huì)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(yùn)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致過熱區(qū)域擴(kuò)散，影響加工質(zhì)量和加工速度。而過快的掃描速度則會(huì)降低加工精度和表面質(zhì)量。焦點(diǎn)位置：焦點(diǎn)位置是指激光束聚焦在工件表面的位置。合適的焦點(diǎn)位置可以實(shí)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(diǎn)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(shí)，可以通過實(shí)驗(yàn)和仿真來進(jìn)行定量分析和評(píng)估[6]。同時(shí)，還可以結(jié)合加工經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行實(shí)際調(diào)整和改進(jìn)。最終的目標(biāo)是實(shí)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(cè)技術(shù)

大口徑空間非球面反射鏡的面形檢測(cè)可以采用接觸式和非接觸式測(cè)量方法。接觸式測(cè)量方法常用的是輪廓儀，輪廓儀可以通過機(jī)械探針或光學(xué)傳感器等進(jìn)行測(cè)量。通過將測(cè)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(cè)量大口徑反射鏡面形時(shí)，需要考慮到儀器的量程和測(cè)量精度，選擇適當(dāng)?shù)妮喞獌x進(jìn)行測(cè)量。雖然輪廓儀測(cè)量速度快、方便且成本較低，但由于是接觸式測(cè)量，對(duì)于外觀要求較高的反射鏡（如光學(xué)鏡片）可能會(huì)在表面劃出細(xì)微的劃痕，影響表面質(zhì)量。非接觸式測(cè)量方法常用的是干涉儀或陰影法。干涉儀測(cè)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(cè)量?？梢允褂霉饫w干涉儀、白光干涉儀或激光干涉儀等來進(jìn)行測(cè)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(cè)量過程中不接觸反射鏡表面，因此不會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生損害。對(duì)于大口徑反射鏡的面形測(cè)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(jìn)行高精度的非接觸式測(cè)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(cè)量方法進(jìn)行面形檢測(cè)。

使用干涉儀進(jìn)行非球面反射鏡的面形測(cè)量需要加工專用的補(bǔ)償器。補(bǔ)償器的作用是在干涉測(cè)量時(shí)，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(bǔ)償器的精度對(duì)干涉測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要的影響。補(bǔ)償器的制備需要高精度的加工和校準(zhǔn)。通常，為了確保補(bǔ)償器的精度，會(huì)使用精密加工設(shè)備和精密傳感器來加工和校準(zhǔn)補(bǔ)償器。在加工過程中，需要精確控制補(bǔ)償器的尺寸、形狀和光學(xué)特性，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)量過程中調(diào)校補(bǔ)償器相對(duì)復(fù)雜，需要根據(jù)具體測(cè)量要求對(duì)補(bǔ)償器進(jìn)行調(diào)整。調(diào)校的過程包括調(diào)整補(bǔ)償器的位置、角度和形狀等。這些調(diào)整操作需要對(duì)干涉儀的工作原理和補(bǔ)償器的特性有較深入的理解和經(jīng)驗(yàn)。干涉儀測(cè)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(diǎn)，適用于大口徑反射鏡的面形檢測(cè)。但也需要考慮到補(bǔ)償器的制備和調(diào)校的復(fù)雜性，以及測(cè)量過程中對(duì)儀器和環(huán)境的要求。因此，在進(jìn)行非球面反射鏡加工過程中，需要根據(jù)具體要求和實(shí)際情況選擇合適的測(cè)量方法。

例如針對(duì)∮150 mm反射鏡的SPDT加工過程，采用了Taylor Hobson公司PGI1240輪廓儀進(jìn)行面形測(cè)量。通過測(cè)量結(jié)果，對(duì)機(jī)床進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，直到在不進(jìn)行任何補(bǔ)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(cè)量?jī)x器，可以測(cè)量和分析物體的輪廓、形狀和表面特征。使用該輪廓儀進(jìn)行面形測(cè)量的過程相對(duì)方便快捷，因?yàn)樗旧砼鋫淞怂璧膫鞲衅骱蛙浖慝@取并分析測(cè)量數(shù)據(jù)。通過移動(dòng)測(cè)量探頭，可以在不接觸被測(cè)表面的情況下獲取高精度的面形數(shù)據(jù)。通過對(duì)調(diào)刀件進(jìn)行輪廓儀測(cè)量，可以獲得其表面的幾何形狀和表面狀況信息。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可以評(píng)估反射鏡的面形偏差，并針對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)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(cè)技術(shù)的改進(jìn)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(diǎn)和挑戰(zhàn)，提出了一種改進(jìn)的加工方法，并探索了新興的檢測(cè)技術(shù)，本研究為大口徑空間非球面反射鏡的加工與檢測(cè)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(xiàng)研究能對(duì)未來的研究和實(shí)踐產(chǎn)生積極的影響，并為推動(dòng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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