超轻超薄反射镜制造过程中的变形控制研究

　　1 引 言

　　大口径非球面反射镜已经广泛应用于空间光学系统。由于传统的轻量化非球面反射镜在空间的应用受到自重大运载平台空间限制、空间环境适应能力差等种种因素的制约，2 m 级口径目前已经接近可以应用的极限。如美国的哈勃望远镜主镜采用熔合封接法制造，口径为 2.4 m。但用户对光学系统分辨率性能指标的提高要求能够制造出口径更大的非球面反射镜，传统方法已显得捉襟见肘。因此发射时可折叠于运载工具内，入轨后可以展开拼接的空间可展开光学系统设计概念应运而生，该设计采用超轻超薄分块子反射镜拼接为超大口径的非球面主反射镜。超薄镜的概念首先由美国提出，其厚度仅几个毫米，口径却可以达到数百甚至上千毫米，背部采用微位移大行程致动器实现镜体支撑和面形调节。和传统轻量化反射镜相比，超薄镜连同其支撑调节机构的面密度仍然可以保持在一个小的量级上。如美国 Arizona 大学研制的超薄镜样品厚度 2 mm，口径 530 mm，连同 36 个致动器总重量仅为 4.73 kg[1-3]。

　　空间可展开光学系统和超薄镜的设想不但满足了空间光学系统的更高分辨率要求，而且与传统的轻量化反射镜相比还具有重量小，发射成本低，面形可调，空间环境适应能力强等独特优势。超薄镜是空间可展开光学系统中的关键部件之一，制造出径厚比达到几百甚至上千而经主动支撑调节后仍能达到高精度面形的超轻超薄非球面反射镜是这项技术实施的重要环节。

　　由于超薄镜径厚比极大，在制造过程中极易发生各种变形而影响最终的面形精度，因此如何在制造过程中有效控制变形成为大口径超轻超薄非球面反射镜制造工艺的核心技术。

　　2 超薄镜制造中的大变形控制

　　用于制造超薄镜的镜坯本身径厚比较大，尤其是完成表面成形进入最终研抛阶段的工件根本无法承受制造工具的压力，易形成较大的变形而影响制造和检测，因此必须对超薄镜制造过程中的大变形进行控制。对工件提供足够刚度的支撑是解决该问题的途径。目前除由美国亚历桑那大学光学中心、长春光学精密机械研究所分别采用的基底支撑方案[1-4]和南京天文光学技术研究所采用的分离点浮动支撑方案外尚无更好的支撑方案。

　　基底支撑方案是将镜坯一面成形后用一层薄薄的粘接剂粘接到与其曲率接近的同种材料的厚基底上，由基底实现支撑并保证工件在加工过程中的刚度，后续加工可以完全采用成熟的加工工艺。待工作面加工完成后在将超薄镜从基底上卸下。其优点是可采用比较成熟的光学加工工艺完成工作面的制造，缺点是引入了粘接和下盘工序，增加了这两个环节中超薄镜变形的可能。