大口径非球面镜加工建模与控制技术

数控(NC)加工技术是解决非球面镜加工困难的一种方法。针对激光装置所使用的大口径光学玻璃非球面透镜,提出采用超精密磨削技术来实现高效、高精度的成型加工。通过加工实验研究了控制磨削切深和进给速度对表面加工质量的影响,寻找出大切深缓进给的磨削加工方式,改善了元件表面加工质量,有效抑制了加工过程引入的亚表面缺陷。开展了非球面补偿加工技术实验研究,采用等面形误差曲线补偿加工方法,能有效降低元件面形峰谷(PV)值,通过两次补偿加工,330 mm×330 mm非球面镜的磨削面形误差可控制在约3μm,获得较为理想的面形加工精度。     

空间同轴三反相机φ520 mm次镜的加工与检测

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求,提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段,首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨,其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛,最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工;在检测阶段,首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制,进入干涉仪测量范围后,再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例,对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测,其面形精度RMS为0.015（=632.8 nm）,几何参数控制精度△R误差为0.1 mm、△K优于0.1%,满足光学设计技术指标要求。     

《非球面光学制造与测量技术文集》（内部资料）

《非球面光学制造与测量技术文集》介绍了目前非球面制造与测量技术的发展现状和趋势,涵盖了古典加工及现代先进制造技术中涉及光学非球面的优秀论文。内容包括：非球面光学系统设计、加工与检验;非球面光学加工;非球面零件光学检测技术研究;大口径透镜凸面零检验的补偿器设计;大口径离轴非球面制造技术一研磨、抛光技术;主动抛光盘磨制非球面的工艺与面形检测;主动抛光盘磨制非球面镜面控制技术的研究;大半径平凸柱面透镜的加工;光学零件柱面加工机研制;红外线聚光非球面透镜的单点金刚石镜面切削方法;计算机控制光学非球面的抛光等。     

非球面面形精细重构方法研究

针对非球面反射镜在抛光初期干涉仪不能全口径检测面形误差的问题,提出一种三坐标测量机(CMM)和数字干涉仪组合测量以实现全口径波前复原的方法.将CMM与干涉仪测量数据组合,即面形误差以干涉测量为主,干涉检测不能复原的局部波前采用CMM测量数据进行精细重构,从而获得可用于数字化加工的全口径面形误差,并最终达到非球面镜全口径干涉检测.采用该方法对Φ为540 mm的离轴非球面反射镜在精磨后期进行数据组合补偿,成功实现了反射镜从精磨阶段到抛光阶段的全口径波前检测,从而证明了该方法对实现非球面镜全口径检测有效可行.     

小工具修正下抛光盘材料的去除特性

环形抛光是大口径平面光学材料加工的首选方式,特别是在大口径平面光学元件的超精密加工中占有重要地位。抛光盘表面形状是影响元件面形精度的直接因素。为了研究小工具对抛光盘表面材料的去除特性,首先需要准确测得抛光盘的表面形状。采用激光位移传感器采集抛光盘表面螺旋样点的高度,针对实验检测误差进行分析并标定,最终计算得到抛光盘表面的实际形状。借鉴数控小工具抛光方法,建立小工具修正下抛光盘的材料去除模型,通过仿真计算得到了在小工具修正范围内抛光盘的材料去除函数,分析了抛光盘的材料去除特性。最后通过小工具修正实验验证了仿真结果的正确性,为抛光盘的形状修正提供理论依据。     

三角机加工大口径离轴抛物面技术

为了实现大口径非球面镜的加工,设计制作了三角机加工中心,该加工中心具有三工位设计。基于该加工中心提出了一套非球面镜加工模型,每个工位只需利用两个转动轴即可实现大口径非球面镜的遍历加工,同时加工工位与检测工位可以互换,节约成本的同时提升加工效率。为了验证加工模型的可行性,结合工程实例,利用该加工中心对一口径为1 450 mm的离轴抛物面SiC反射镜进行了加工,实验结果表明,经过一轮迭代加工后,反射镜面形结果由PV 4.653m、RMS0.4097m收敛到PV 3.585m、RMS 0.2581m,RMS收敛达37%。验证了模型的精度及可行性。     

用于SAW器件制造的键合减薄技术

铌酸锂(LiNbO3)作为一种压电材料,常被用于声表面波(SAW)器件的压电层,通常LiNbO3晶片厚度为500 μm,而实际上压电层的有效利用厚度为λ～2λ(λ为声表面波波长).为能实现SAW器件的高度集成化,需用键合减薄及抛光技术对LiNbO3进行加工处理.用粒径(φ)100 nm的SiO2抛光液对减薄后的铌酸锂晶体样品进行化学机械抛光,研究了抛光垫、抛光盘转速、压力及抛光时间对抛光过程的影响.抛光结果表明最佳抛光工艺参数是:采用阻尼布抛光盘,100 nm的SiO2抛光液,转速为120 r/min,压力为3.9N,抛光时间为40 min.经测试样品厚度为80μm,样品的最小粗糙度Ra=0.468 nm,Rq=0.593 nm(Ra为算术平均粗糙度,Rq为均方根粗糙度).     

大口径非球面铝反射镜三轴联动加工技术研究

为解决单点金刚石车削技术（single-point diamond turning,SPDT）应用于大口径大弦高非球面铝反射镜加工中遇到的车床导轨行程、工作台回转容积受限和加工质量较低的问题,针对φ682 mm口径、弦高220 mm的凹非球面铝反射镜加工,首先,提出基于SPDT的三轴联动加工方法,在两轴加工基础上加入旋转B轴进行协同加工,使得导轨行程和工作台回转容积能够满足加工需求。然后,设计专用笼状夹具,并通过有限元法研究支撑杆数量、杆径、上下连接板厚度参数对夹具-工件形变特征的影响,通过极差和方差分析研究不同因素对夹具-工件最大变形量影响的显著性,得到一组最佳夹具设计参数组合,即夹具支撑杆数量为24,杆径为22 mm,上下连接板厚度为25 mm。最后,将铝反射镜固定在优化后的笼状夹具上,通过三轴联动加工实现了对φ682 mm口径非球面铝反射镜的加工。对调刀件的检测结果表明:调刀件面形精度P_v值为0.6 μm,表面粗糙度R_a约为10.1 nm,可认为φ682 mm口径非球面铝反射镜的面形精度和表面粗糙度均达到使用要求。本研究能够为同类大口径大弦高非球面反射镜的加工提供一定的理论基础和加工工艺技术参考。     

环形抛光技术在列阵透镜制造中的应用

针对传统方法抛光高功率激光实验中使用的长焦距列阵透镜单元遇到的检测困难、一致性差等问题,提出了采用环形抛光的新方法。对环形抛光系统的理论分析表明,抛光盘面形可以稳定在球面状态。利用这种特性,环形抛光法可以抛光小曲率球面。阐述了抛光盘面形的调节方法。利用0.69 m环形抛光机对口径45 mm、曲率半径57207 mm的列阵透镜单元进行了抛光,结果表明面形精度和一致性均优于平面摆动式抛光法。最后对环形抛光机可抛光的球面曲率半径范围进行了探讨,发现盘面尺寸越小球面抛光能力越强,直径0.8 m的盘面可抛光的曲率半径可低至10 m。     

大尺寸厚膜压电陶瓷驱动变形镜的制备工艺研究

研制了一种适合高频响应变形镜使用要求的压电陶瓷材料体系,并采用流延工艺成功制备了大尺寸厚膜(90 mm×0.30 mm),并采用粘接固化工艺制备出90 mm口径的压电厚膜驱动连续变形镜。结果表明,压电陶瓷材料配方通式为Pb1-aMa[(Zn1-bLb)1/3Nb2(1-x)/3]eZrfTigOh,e+f+g=1,M=Ca、Sr、Ba、La、K,L=Ni、Co、Fe,其机电耦合系数kp≥0.72,压电常数d33≥590 pC/N,居里温度TC≥300℃,介电损耗tanδ≤1.2%,介电常数3Tε3/0ε=2 000~2 500,烧成温度1 150℃;扣除离焦前的压电厚膜驱动连续变形镜面形约3μm,扣除离焦后的面形约0.4μm;陶瓷厚膜的烧银过程变形致使镜面粘接工艺过程气泡难以消除,产生变形镜面-陶瓷间粘接不连续。