计算机控制抛光大口径高陡度非球面技术研究

　　引　言

　　新一代超大型天文望远镜不仅口径巨大,光学性能亦有质的突破。采用非常“快”(fast)的高陡度非球面,主镜直径4～8米、相对口径接近1:1;镜面的加工精度达到20nm rms。这一质的突破应该归功于现代先进光学制造技术卓有成效的发展。

　　描述波前通过大气传输的结构函数被引用来作为新一代超大型望远镜主镜光学表面的技术要求,见图1。结构函数定义主镜表面成型质量是覆盖一个空间谱从小到1厘米大到全口径尺度上的波前的均方差。象大气中的低频扰动波前一样,反射镜的表面在小尺度上不希望有高频扰动[1],小尺度空间谱上的面形极限精度要求为5nm rms。显然,传统的手工修带技术对此无能为力。计算机控制小尺寸工具抛光方法对于超大口径高陡度非球面亦难以适用,小工具抛光产生的高频残差在这里将有不可忽视的影响,加工效率也难尽人意。

　　近年来,国外发展了一种计算机控制大尺寸应力变形抛光盘加工超大型高陡度非球面反射镜的新技术途径。这种抛光工具简称为应力盘(Stressed Lap),其口径约为被加工大镜面直径的1/3。美国亚利桑那大学斯蒂瓦天文台大镜实验室(Steward Observatory Mirror Lab.)用这种加工方法在几年内先后完成了1.8m f/1.0主镜;3.5m f/1.5主镜;3.5m f/1.75主镜,加工精度达到全口径20nm rms,在小尺度上具有令人满意的光滑。目前在制造5.5m f/1.25MMT主镜。并准备加工LBT 8.4m f/1.14主镜。

　　本文从关注国外这一先进技术发展的角度出发,力图概括这一新技术要点,并就发展这项新技术提出若干考虑。

　　1　应力盘加工法的定性描述

　　大尺寸工具与工件对研或抛光的基本工艺要求即表面吻合或适配。大口径工具与工件表面对研或抛光,具有优先去除表面最高点或部位的特点,并有自然产生球面的倾向。使工具与工件在任何一个部位上都能够保持良好吻合的唯一表面是球面。球面具有在表面上任一点都具有相同曲率半径并各点的法线汇聚在同一球心点的特点。而非球面恰恰相反。考察一个非球面的法线组成的法线汇,若把法线看成光线,则非球面法线汇是一个大象差结构。换言之,非球面各点具有不同曲率半径、不同曲率中心。例如,一个相对口径1:1的深型抛物面,由顶点向边缘曲率半径逐渐减小,在边缘点的曲率半径约等于顶点曲率半径90%,即相差大约10%。手工或是用计算机控制抛光,采用的小尺寸工具应该足够小,近似地认为在这样小的范围内非球面的曲率半径之差可以忽略,以保持工具与工件适配。通常小工具的口径大约为加工件全口径的1/25-1/50。在其它工艺参数恒定的条件下,控制工具对表面地貌不同位置的驻留时间。