大口径轻质非球面反射镜制造技术研究

　　1　引　言

　　某项目的关键组成部分之一是大口径卡塞格林型光学系统。该系统不仅口径大,而且相对孔径也大;对系统的出射波面质量要求高,且要求重量轻。因此采用轻质主反射镜是实现高精度大口径光学系统的有效途径。

　　轻质反射镜与实体反射镜相比具有如下技术优势:(1)通过减轻系统的整体重量有利于提高系统的机动性;(2)通过提高光学系统的比刚度,可减少因重力作用引起的镜面变形,可保证光学系统在使用状态下的成像质量;(3)可避免镜面在加工和检测过程中的重力影响,可减轻镜面面形加工的技术难度。

　　以玻璃材料作为轻质反射镜,其制造技术可分为三大类型:高温熔铸法[1~3],熔接成型法[4~5],机械钻孔减重法[6~7]。熔铸的轻质镜是LBT(largebinocular telescope)的主镜,其口径为8.4m,减重率在70%以上;焊接成型的轻质镜是哈勃空间望远镜的主镜,其口径为2.4m,减重率在70%左右;采用机械钻孔减重法制作的SOFIA次镜,其口径为2705mm,减重率为75%,GEMINI次镜的口径为1024mm,减重率为85%。

　　本项目中的轻质反射主镜的主要技术指标是:抛物面通光口径大于1000mm,相对口径为1∶2,减重率>65%,面形精度的均方根值RMS<λ/20(λ=633nm),且高频误差要小。

　　该反射镜是目前国内最大口径的轻质非球面反射镜。研制该反射镜要解决的技术难点主要有两个方面:一是大口径轻质镜坯制造技术;另一个是大口径轻质高精度非球面镜的加工和检测技术。

　　2　大口径轻质镜坯的制造

　　2.1　镜坯材料

　　选择反射镜镜坯材料时主要应考虑材料的热物理性能、光学加工性能、力学性能以及化学稳定性和安全性。适于制造高精度大口径反射镜的玻璃类材料有熔石英玻璃、超低膨胀石英玻璃(ULE)和微晶玻璃。表1[8]列出了这几种材料的主要性能参数。

　　为了比较反射镜材料的综合性能,提出了评价材料性能的品质因数,如材料的比刚度E/ρ,稳态变形系数α/κ,瞬态变形系数α/D等。

　　相比较而言,微晶玻璃的比刚度、导热率、热稳定性等均略优于ULE。微晶玻璃所具有的良好的机械加工性质使它更有利于采用钻铣法制造轻质镜坯,且微晶玻璃的性价比优于ULE。根据反射镜的光学、机械、热性能及镜坯结构的要求,最终选择了德国Schott公司的Zerodur零膨胀微晶玻璃。

　　2.2　轻质镜坯的制造

　　我国的轻质镜制造技术与国际先进水平相比还存在很大的差距,但近十多年来也取得了突破性的进展。成都光电所运用熔接法制造出了轻质镜坯[9];长春光机所在原有机械钻孔减重的基础上,于1994年在国内率先应用了数控钻铣技术进行轻质镜坯的制造,可钻铣出一系列尺寸的任意形状的盲孔,不但能加工各种开放式直盲孔,而且还能加工出背部孔大但口小的台阶孔。前者工艺性好,加工效率高;后者可使轻量化反射镜镜坯的刚度有一定的提高,但降低了加工效率。