应用多模式组合加工技术修正大口径非球面环带误差

　　1　引　言

　　随着我国航天、航空及天文等科技领域的不断发展,对大口径、高精度非球面反射镜的需求不断增加。在大口径望远系统中,大口径深焦比非球面反射主镜具有缩短系统长度,减轻系统质量,有效提高光学系统的空间观测分辨率,获得高质量的光学图像信息等优点,因此它在天文望远镜、空间光学系统等领域得到日益广泛的应用。但是,随着非球面光学元件口径和相对孔径的增大,其相应的非球面度梯度也加大,由此增加了加工难度,给非球面加工工艺带来了一定的挑战。

　　在大型非球面加工领域,我国对加工工艺的研究起步比较晚,现在采用的主要加工方法有:经典抛光、计算机控制小工具抛光(CCOS)[1-2]、计算机控制能动盘抛光(CCAL)、离子束抛光[3]、磁流变抛光等,但是技术水平与国外一些国家还有较大的差距。至今,我国在高精度大口径非球面单镜加工领域的加工能力在1~2 m级水平,而国外一些国家的加工水平相对较高。如最具有代表性的美国亚利桑那大学光学技术中心通过子孔径拼接技术研制的GMT望远系统主镜,该主镜通过7块直径为8.4 m的圆形单镜拼接,直径达25 m;此外,该中心还研制了JWST、MMT等大口径望远系统主镜。法国REOSC公司在大口径光学加工领域也具有非常高的技术水平,完成了许多重大工程项目的光学元件研制工作,例如,ESO 3.6 m望远镜主镜,4块VLT系统和2块GEMINI系统8 m主镜,SOFIA 2.7 m轻量化主镜等[4-9]。随着光学需求及光学加工技术的不断发展,与其相适应的高精度数控机床(CNC)加工系统已经成为现代光学加工的主要技术装备之一,高精度智能化的工业机器人已经被应用于非球面光学元件的抛光,使得机器人抛光成为光学加工的一种重要技术手段。

　　针对目前大口径反射主镜制备中存在的问题,本文研究了利用多模式组合加工技术修正大口径同轴非球面反射镜环带误差的方法,该方法可有效控制光学表面的中、低频误差,在修正环带误差时表现出较高的去除效率。

　　2　MCM技术

　　对于非球面来说,其加工难度主要是由所设计的表面与比较球面沿径向上的轴向偏差所引起的,非球面的加工难度系数可定义为dy[4],可由公式(1)表示。从公式中可以看出加工的难度与光学元件相对孔径的三次方成反比,与二次项系数k成反比,就是说相对孔径越大,dy的值越小,加工的难度就越大。表1列举了国外几种大型望远镜主镜参数及加工难度系数。

　　其中,k为非球面二次项系数,f为非球面的焦距,D为非球面的通光孔径。

　　随着被加工反射镜口径和相对孔径的增加,加工的难度逐渐加大,为了保证加工的质量和周期,需要不断改进加工工艺来满足加工需求。多模式组合加工技术MCM (Multi-mode CombinedManufacturing technology)[10]就是在经典加工工艺基础上改进的一种针对大口径非球面反射镜制备的工艺方法,该项技术可以有效控制光学表面的中低频误差,在修正环带误差时表现出较高的去除效率。