磁流变抛光光学非球面元件表面误差的评价

在光学系统中应用非球而元件可使复杂的结构变得简单,并可有效地消除像差,提高系统的成像质量[1]。虽然非球面元件具有较大的优越性,但是,由于非球面元件的曲率半径随空间坐标的变化而各不相同,因而不能采用传统球面元件的加工方法。随着计算机数控技术的发展,光学非球面的制造技术也发生了巨大的变化,其中,磁流变光学非球面加工成为近年来超精密、超快加工技术研究领域的一个有代表性的尖端研究热点。该项技术利用混合抛光磨料的磁流变液在磁场中的流变性进行抛光去除,具有磨头永不磨损、去除特性函数稳定等优点。另一方面,非球面的加工与检测技术是一个整体,在某种程度上,获得高质量的非球面的关键在于能否提供可靠的、行之有效的检测结果指导加工[2]。为此,本文对磁流变抛光(magnetorheological polishing,MRP)加工非球面表面误差进行评价,并通过实验建立起工艺参数与表面误差间的关联。

1　抛光表面误差表征

磁流变数控抛光后的光学元件波前畸变的空间周期跨度较大,各频段的影响作用又不一样,特别是非线性效应具有空间频率选择性[3]。其中,中频误差的非线性增长最快,是对光束质量影响最大的区域,其空间周期范围通常为D/12～D/40 (D为工件直径)。它的存在会降低成像光学系统的分辨率,尤其对于一些应用在激光核聚变系统中的非球面元件,表面中频误差引起的散射会造成很大的能量损失,从而大大降低系统的性能[4,5]。

磁流变液能有效地跟踪非球面表面形状的变化,从而修正低频面形误差,但它对工件表面的非连续作用却明显大于传统方法中所使用的大抛光盘。当磁性抛光轮按一定轨迹扫描过整个工件表面后,表面上会留下一些微小的“切带”,或称之为波浪误差。这是由于轨迹上相邻点间的“卷积效应”造成的,其形成示意图如图1所示。从理论上讲,当磁性抛光轮的运动步长趋于无限小时,卷积效应将被消除,波浪误差将降到最小[6],但这在实际加工当中是很难做到的。因此,当低频面形误差被有效地修正之后,工件表面上必然会留下中频的残余误差,而且,这类误差用传统的光学表面质量评价方法很难反映出来。

2　中频残余误差的评价

对评价方法提出两点最基本的要求:首先是反映波前畸变的空间频率特性;其次,不能用传统方法中的单个数值来表征,而应该是一个函数关系。

2.1　功率谱密度评价法

表面误差的功率谱密度(power spectral densi-ty, PSD)评价方法是建立在标准快速Fourier变换基础上的,通过对表面误差进行频谱分析,从中确定不同频段误差的含量。