中大口径轴对称光学非球面超精密磨削数控机床的研制

通过系统分析轴对称中大口径方形光学非球面包络法加工原理,提出了非球面磨削加工机床各轴系运动的数学控制模型,设计并研制了非球面精密磨削加工机床及机床速度、位移双闭环控制系统,在研制的加工机床上进行了330×300mm的方形光学非球面镜片磨削试验,并采用数字型电感测微仪设计了非球面在线检测系统,通过对加工后的光学非球面进行在线检测,试验结果表明设计并研制的光学非球面磨削加工机床加工精度满足光学非球面镜片加工面形精度PV值达到4μm的要求,且加工效率高,适用于中大口径非球面磨削加工。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

小口径非球面斜轴磨削的砂轮磨损及补偿研究

通过对比常用的圆盘砂轮的直交轴磨削方式,提出了小口径非球面斜轴磨削方法,探讨了斜轴磨削小口径非球面时砂轮的磨损测试方式与磨损量的变化规律,研究了砂轮半径误差对工件形状精度的影响。最后利用多轴超精密磨床对口径为6mm的非球面碳化钨模具进行磨削实验,砂轮半径磨损补偿磨削后,模具形状精度由PV 1929nm变为PV 359nm。     

ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削工艺

为了实现新型红外陶瓷ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工,首先根据ALON的材料属性和高陡度薄壁保形非球面的结构特性,进行了其超精密磨削加工工艺性分析,并基于有限元计算方法,完成了面向ALON高陡度薄壁保形非球面的精密夹具的设计以及关键参数的优化。然后完成了ALON的超精密磨削工艺实验,工艺实验结果表明减小工件转速和砂轮粒度都会降低ALON的平均表面粗糙度Ra值,但砂轮粒度对磨削后ALON的表面粗糙度影响更显著。最后实现了ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工,磨削后的ALON高陡度薄壁保形非球面的面形精度PV值为2μm,表面粗糙度Ra值可达8.6nm。     

大口径SiC反射镜用金属基圆弧砂轮在线整形装置研制

针对空间光学系统中大口径SiC反射镜非球面磨削用金属基圆弧砂轮,提出并推导了双轴回转展成运动下脉冲放电修整圆弧的形成机理。在分析长春光学精密机械与物理研究所（长光所）4m口径SiC反射镜的非球面磨削运动的基础上,确定了有效磨削圆弧段及其半径和杯形电极的尺寸,针对长光所五轴联动数控磨床设计了金属基圆弧砂轮的在线整形装置,并通过圆弧整形实验进行了验证。结果表明,所设计的金属基圆弧砂轮在线整形装置能够很好地修整出目标圆弧,满足4m大口径SiC反射镜非球面磨削的需求。     

无结合剂碳化钨非球面模具的超精密磨削加工

针对无结合剂碳化钨材料,进行非球面模具的法向磨削试验研究。分析法向磨削非球面时的砂轮对刀误差对磨削精度的影响,研究无结合剂碳化钨非球面模具的磨削表面形貌特征和最终表面质量,优化误差补偿工艺,并利用聚焦离子束对磨削后的非球面亚表层损伤进行成像分析。研究结果表明利用推导的砂轮对刀误差方程,可以在磨削加工前对砂轮的初始位置进行精确调整,提高磨削加工精度。磨削后无结合剂碳化钨非球面模具不同区域的表面质量不同,距非球面中心越近,磨削质量越好,距中心越远,磨削质量越差。经过3次误差补偿磨削加工后,最终的无结合剂碳化钨非球面模具的面形精度误差均小于0.3μm(PV值),表面粗糙度平均值小于8 nm(Ra值),亚表层没有明显的裂纹产生。     

X、Y方向非等R值微小非球面模具超精密磨削试验

基于模压成型技术的复杂曲面光学玻璃透镜制造难度较大,主要制约因素是高精度复杂曲面光学模具的加工难度大。文中针对典型的高精度X、Y方向非等R值微小非球面模具,进行斜轴单点CXZB四轴联动超精密磨削试验,通过加工路径规划、磨削补偿、磨削表面测量与评价,验证了加工方法的可行性。研究发现,X、Y方向非等R值微小非球面模具PV值控制在0.38μm以下,表面粗糙度分别为Ra5 nm和Rz39 nm,加工表面呈光学镜面,模具加工质量完全满足后续的玻璃模压成型要求。     

φ124 mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

介绍了碳化硅质光学镜面的光学加工流程和加工手段,分析了碳化硅光学镜面的光学加工过程各个步骤中所应用的磨料和加工方法.利用自主研制的非球面数控加工中心,探索一种新型轮式研磨抛光技术,解决了中小口径非球面元件的数控加工问题,形成比较规范的中小口径碳化硅非球面元件加工方法,并应用到φ124 mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工中,工件最终加工精度为第一面:0.761 λ(PV)、0.059λ(RMS)(λ=0.632 8μm);第二面:0.834 λ(PV)、0.089 λ(RMS)(λ=0.632 8μm),满足了设计要求.     

非球面光学元件加工检测方法的研究

对非球面光学元件加工检测进行了试验和研究,得出了具体的测试方案。在非球面大口径光学元件的精密磨削中,其磨削阶段的检测技术是工件加工的关键。通过对大口径非球面光学元件加工中工件旋转轴(A轴)、砂轮旋转轴(B轴)、工件平移轴(X轴)、砂轮平移轴(Y轴)、砂轮回转轴(C轴)的位置和速度所进行的检测,证明了所使用的检测方法是可靠的,能够顺利地完成对非球面光学元件加工过程的检测,实现了非球面光学元件的精密磨削,满足了设计的要求。     

圆弧金刚石砂轮三维几何形貌的在位检测和误差评价

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求,提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型,利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据;对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理,得到砂轮三维几何形貌。然后,根据非球面平行磨削加工特点,提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓,进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标,并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后,对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测,获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据:即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3mm,半径波动极差为0.16mm,中央±8mm环带内圆弧的圆度误差约为5μm,圆周跳动误差约为2μm,截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008mm。根据检测结果,进行了大口径复杂非球面磨削实验,得到的元件面形P-V值为4.62μm,RMS值优于0.7μm,满足工程的实际需求。     

使用红外干涉仪测量非球面面形

提出用红外干涉仪在长波工作(λ=10.6μm)的优点检测非球面面形。首先,通过移相算法,使用泰曼型红外干涉仪测量出非球面与标准拟合球面之间的波像差;然后,根据非球面的矢高方程计算出非球面与标准拟合球面之间波像差的理论值,通过比较这两个值,计算出非球面的面形偏差。实验结果表明,使用红外干涉仪测量的非球面与标准拟合球面之间的波像差为8.64μm(PV),与理论波像差(8.11μm)比较接近,测得非球面面形偏差为1.20μm(PV)。为了验证这一方法的准确性,使用计算全息图(CGH)作为补偿镜在可见光干涉仪上测量了同一块非球面,两者测量结果比较吻合。结果表明,此方法有比较强的通用性,可以用于非球面在加工过程中的测试。     

大口径高陡度离轴非球面精磨阶段的数控加工

对大口径高陡度离轴非球面的数控加工过程中遇到的矢高变化率太大、磨头去除特性改变等技术难题进行了深入细致的研究,并提出了相应的解决方法。首先,通过坐标变换降低高陡度离轴非球面的矢高变化率;然后,给出了磨头沿非球面的法线方向进行数控加工的具体实施方法;最后,对轮廓检验的结果进行修正,使之在法线方向投影,从而使数控加工能更加准确有效地控制面形误差收敛。给出了数控加工实例,精磨阶段达到面形精度PV:10.502 8 μm,RMS:0.829 3 μm。结果表明,提出的方法在工程中完全可行,并有较高的收敛效率。     

大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验技术

为了实现某大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验,研究了无像差点法以及补偿检验法方案,经过方案比较优选,确定选用补偿检验方案并专门设计了高精度大口径非球面补偿器,设计精度为PV：0.0082,RMS：0.0029（=0.6328nm）,采用会聚光束、使用大口径数字干涉仪进行凸非球面正面检测,采用该方法进行检验凸非球面反射镜最终检测结果为0.022（RMS）本文所述补偿器的设计方法和要求具有普遍性,设计结果也可用于同类型大口径凸非球面检验用补偿器的设计。采用该方法提高了凸非球面检测精度,并且在凸非球面镜的材料选择、结构设计、支撑方式等方面提供了更多的优化空间,为新型光学材料在凸非球面反射镜的应用铺平了道路。     

表面改性非球面碳化硅反射镜的加工

为了获得高质量光学表面的非球面碳化硅(SiC)反射镜,对碳化硅反射镜表面改性技术以及离子束辅助沉积(IBAD)Si改性后的非球面碳化硅反射镜的加工技术进行研究。首先,简要介绍了碳化硅反射镜表面改性技术以及本文所采用的离子束辅助沉积(IBAD)Si的改性方法。然后,通过采用氧化铈、氧化铝以及二氧化硅等各种抛光液对离子束辅助沉积(IBAD)Si的碳化硅样片进行抛光试验。试验结果表明氧化铈抛光液的抛光效率较高,使用二氧化硅抛光液抛光后的样片表面质量最好。最后,在上述实验的基础上,采用计算机控制光学表面成型（CCOS）技术对尺寸为650mm×200mm的表面改性离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜进行加工,最终的检测结果表明离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）优于λ/50（λ=0.6328μm）,表面粗糙度优于1nm（Rq值）,满足设计技术指标的要求。     

干涉法实时测量浅度非球面技术

提出了一种干涉实时检测非球面的新方法,该方法无需补偿器,CHG等辅助元件就能实现对浅度非球面的测量。对非球面度较小的非球面,直接利用标准球面镜作为参考表面,通过数字干涉仪可以测得全孔径位相分布,将所得的数据剔除参考球面波相对理论非球面的偏差,并运用最小二乘拟合求得机构定位误差,消去此误差,从而能够获得真实的面形信息。利用该方法对一口径为350mm的浅度双曲面进行了测量,通过数据分析和处理得到面形误差的PV值和RMS值分别为0.387λ 和 0.048λ ( =632.8nm)。并将该结果与零位补偿的检测结果相比较,两面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.033λ 和 0.006λ 。说明该技术对检测浅度非球面是切实可行的。     

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜.研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件.为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8 nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ.对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性.     

摆臂式非球面轮廓仪的原理与试验

介绍了一种新颖的非球面轮廓仪的测量原理和测量试验,它通过测量非球面与某一参考球面之间的偏离量来唯一确定非球面的面形误差,通过调整测量臂长以及回转轴线与光轴之间的夹角实现对不同非球面的测量。系统主要由高精度两维转台,高刚度测量臂,四自由度微调系统和高精度扫描测量传感器组成,并分别在VC++6.0与MATLAB平台上开发了测控软件以及数据处理软件。该测量方法的优点是测量所需传感器量程小,测量运动为一个简单的回转运动;缺点是测量调整自由度多,校准困难。建立了测量系统的数学模型,通过测量数据与名义面形之间的非线性优化,在获得面形误差的同时获得了非球面面形参数误差。通过测量多条截线实现了对非球面面形的全口径检测。最后对直径200 mm,顶点曲率半径1 400 mm的凹形抛物面镜进行了测量,结果表明,系统重复精度优于0.8 μm,精度优于1 μm。     

Research on the error analysis and compensation for the precision grinding of large aspheric mirror surface

The purpose of this paper is to propose a compensation grinding method for large aspheric mirror surface. Because the tradition grinding is not suitable for large aspheric mirror surface, in this paper, a grate parallel grinding in 3-axis and an on-machine measurement system are applied. Based on that, it presents the errors that mainly affect the form accuracy and technology of compensation grinding. An experiment of compensation grinding was carried out for large aspheric mirror surface. With the separation of decentering, wheel arc, and residual grinding system error, the PV value further decreased comparing to tradition compensation. These results indicated that this compensation can improve the form accuracy significantly in large aspheric mirror surface grinding.     

子区域拼接数字莫尔条纹非球面检测的理论分析

利用moire 条纹测量三维物体表面,由于这种方法具有非接触性、自动化程度高、速度快等特点。并且不需要补偿器、辅助镜、全息图等辅助组件就可以实现非球面检测,使其得到广泛的应用。但在测量大口径、高陡度非球面以至离轴非球面时,受到光栅面积、CCD相机分辨能力等因素的限制;存在着一些困难,就此问题,本文提出了利用数字莫尔条纹（结合数字相移技术）进行子区域拼接的非球面检测方法,给出了这种方法的基本原理,阐述了方法的数学实现过程,结果显示子区域拼接数字莫尔条纹法可以作为补偿检验以外的另一种非球面检测方式