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大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測(cè)技術(shù)研究

2024-06-14 16:35:00趙靜楊業(yè)薛衛(wèi)濤王鵬于建海秦?fù)P
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2024年17期
關(guān)鍵詞:加工技術(shù)表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)

趙靜 楊業(yè) 薛衛(wèi)濤 王鵬 于建海 秦?fù)P

摘? 要:空間非球面反射鏡在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,然而其復(fù)雜的曲率和大口徑特性使得其加工和檢測(cè)變得更加困難和復(fù)雜。該文研究當(dāng)前大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展和應(yīng)用。通過(guò)對(duì)這些技術(shù)的研究,該文為提高大口徑空間非球面反射鏡的加工和檢測(cè)質(zhì)量提供重要的參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:大口徑空間非球面反射鏡;加工技術(shù);檢測(cè)技術(shù);表面質(zhì)量;加工質(zhì)量

中圖分類號(hào):TH74? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ? 文章編號(hào):2095-2945(2024)17-0030-04

Abstract: Space aspheric mirror plays an important role in modern optical system, but its complex curvature and large-aperture characteristics make its processing and detection more difficult and complex. This paper studies the latest development and application of processing and testing technology of large-aperture space aspherical mirror. Through the study of these technologies, this paper provides an important reference and guidance for improving the processing and testing quality of large-aperture space aspheric mirrors.

Keywords: large-aperture space aspheric mirror; processing technology; testing technology; surface quality; machining quality

隨著空間科學(xué)和工程的發(fā)展,對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。空間非球面反射鏡作為光學(xué)系統(tǒng)中的重要組成部分,具有能夠準(zhǔn)確聚焦和投射光線的功能,扮演著關(guān)鍵的角色。相比于傳統(tǒng)的球面鏡,非球面反射鏡能夠有效糾正光線的畸變,提升光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和系統(tǒng)的整體性能,然而,大口徑空間非球面反射鏡的加工和檢測(cè)面臨著諸多挑戰(zhàn)[1]。因此,本文旨在研究大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測(cè)技術(shù),探索一種快速、高效、精確的加工方法,并開發(fā)一種能夠滿足大口徑反射鏡表面形貌測(cè)量和相位測(cè)量要求的檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)對(duì)當(dāng)前大口徑空間非球面反射鏡加工與檢測(cè)技術(shù)的調(diào)研和分析,本文將提出一種創(chuàng)新的加工和檢測(cè)方法,為大口徑空間非球面反射鏡的制造和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1? 大口徑空間非球面反射鏡的應(yīng)用領(lǐng)域

大口徑空間非球面反射鏡具有多種應(yīng)用領(lǐng)域。天文望遠(yuǎn)鏡:大口徑空間非球面反射鏡被廣泛應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡中。它們能夠提供更高的分辨率和觀測(cè)靈敏度,使天文學(xué)家能夠更精確地觀測(cè)和研究天體,從而深入探索宇宙的奧秘。衛(wèi)星通信,大口徑空間非球面反射鏡在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中扮演著重要角色。通過(guò)調(diào)整非球面反射鏡的形狀,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的聚焦和聚集,提高通信質(zhì)量和傳輸速率。同時(shí),非球面反射鏡還能夠減少多徑干擾,提高信號(hào)接收的可靠性。激光技術(shù),大口徑空間非球面反射鏡在激光技術(shù)中也有廣泛的應(yīng)用。它們被用于實(shí)現(xiàn)高精度的激光測(cè)量和探測(cè),包括光學(xué)測(cè)距、激光雷達(dá)和光學(xué)相干斷層掃描等[2]。通過(guò)調(diào)整非球面反射鏡的形狀和曲率,可以實(shí)現(xiàn)光線的精確聚焦和調(diào)節(jié)。光學(xué)測(cè)量和儀器研究:大口徑空間非球面反射鏡在光學(xué)測(cè)量和儀器研究領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。它們可以作為光學(xué)儀器的核心部件,用于實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量和控制。同時(shí),非球面反射鏡還能夠減少光學(xué)畸變和像差,提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性??偟膩?lái)說(shuō),大口徑空間非球面反射鏡具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,在天文學(xué)、航天科學(xué)、激光技術(shù)、光學(xué)測(cè)量和儀器研究等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。它們的優(yōu)異性能和精確性能滿足了高分辨率圖像和高精度測(cè)量的需求,為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供了重要支持。

2? 大口徑空間非球面反射鏡的加工技術(shù)

2.1? 傳統(tǒng)加工方法分析

傳統(tǒng)的大口徑空間非球面反射鏡加工技術(shù)主要包括機(jī)械加工和光學(xué)加工2種方法,這些傳統(tǒng)加工方法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)非球面反射鏡的加工,但仍存在一些限制和不足之處。機(jī)械加工:傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法使用機(jī)床和刀具對(duì)非球面反射鏡進(jìn)行切削和修磨。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單,適用于對(duì)非球面反射鏡進(jìn)行粗加工。但由于非球面反射鏡的復(fù)雜形狀,在機(jī)械加工過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)高精度加工。機(jī)械加工容易導(dǎo)致鏡面形狀誤差和表面粗糙度過(guò)高,影響光學(xué)性能。光學(xué)加工:光學(xué)加工方法包括研磨和拋光,能夠更好地控制非球面反射鏡的形狀和光學(xué)性能。研磨是將非球面反射鏡放置在研磨盤或研磨機(jī)上,利用研磨粉末和研磨液對(duì)反射鏡表面進(jìn)行磨削。拋光是在研磨后使用拋光盤或拋光機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的平滑和磨光。光學(xué)加工方法能夠獲得較高的表面質(zhì)量和精度。然而,光學(xué)加工過(guò)程需要耗費(fèi)大量時(shí)間和勞動(dòng)力,并且更容易受到環(huán)境因素和人為因素的影響,導(dǎo)致加工誤差和表面瑕疵。傳統(tǒng)加工方法的局限性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。無(wú)法滿足高精度要求,非球面反射鏡一般要求具有高精度的形狀和表面質(zhì)量,傳統(tǒng)的機(jī)械加工和光學(xué)加工方法很難滿足這一要求。機(jī)械加工容易導(dǎo)致鏡面形狀誤差和表面粗糙度過(guò)高,而光學(xué)加工則受到環(huán)境因素和人為因素的影響,導(dǎo)致加工誤差和表面瑕疵。加工效率較低,傳統(tǒng)的機(jī)械加工和光學(xué)加工方法需要耗費(fèi)大量時(shí)間和勞動(dòng)力,加工效率較低。特別是對(duì)于大口徑的非球面反射鏡,加工周期很長(zhǎng),無(wú)法滿足工程和生產(chǎn)的需求。加工成本較高,傳統(tǒng)的加工方法需要較高的設(shè)備投入和人力資源,加工成本較高,同時(shí),加工過(guò)程中往往需要耗費(fèi)大量的研磨粉末和研磨液,加大了材料成本??傊瑐鹘y(tǒng)的大口徑空間非球面反射鏡加工技術(shù)在精度、效率和成本等方面存在一定的局限性[3-4]。因此,研究人員一直在探索新的改進(jìn)的加工方法,以提高加工效率和精度,降低加工成本。

2.2? 單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)

單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)(SPDT)是一種常用于非球面反射鏡加工的精密加工方法,其通過(guò)使用特殊的車削工具,將金剛石切削刃放置在非球面反射鏡的表面上,并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和移動(dòng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面反射鏡形狀的修磨和加工。單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)相比傳統(tǒng)的機(jī)械加工和光學(xué)加工方法具有以下優(yōu)勢(shì)。高精度加工:由于金剛石切削刃的硬度和尖銳度,單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常高的加工精度。它能夠精確控制切削刀具的位置、角度和移動(dòng)速度,從而實(shí)現(xiàn)非球面反射鏡的形狀和表面質(zhì)量的高精度加工。高效率加工:?jiǎn)吸c(diǎn)金剛石車削技術(shù)具有較高的加工效率。相比光學(xué)加工方法需要多次研磨和拋光的過(guò)程,單點(diǎn)金剛石車削可以在一次車削中完成加工。而且,由于金剛石的硬度,切削刃的壽命較長(zhǎng),減少了換刀、調(diào)整和修整的次數(shù),提高了生產(chǎn)效率。低表面粗糙度:?jiǎn)吸c(diǎn)金剛石車削技術(shù)能夠獲得非常低的表面粗糙度。由于金剛石切削刃的尖銳度,它可以在車削過(guò)程中實(shí)現(xiàn)微小的切削量和光滑的切削表面,從而獲得較低的表面粗糙度。以加工反射鏡為鋁合金非球面反射鏡為例,口徑為∮235 mm,除工作面外主體均為凹槽結(jié)構(gòu),無(wú)法用彈性?shī)A頭或黏接等方式裝夾,因此設(shè)計(jì)和加工一整套專用工裝,如圖1所示。

為了處理口徑超過(guò)∮200 mm、弧高超過(guò)25 mm的反射鏡零件,制作了∮150 mm的調(diào)刀件來(lái)調(diào)整面形。通過(guò)不斷調(diào)整切削參數(shù),實(shí)現(xiàn)了調(diào)刀件的PV(峰谷值)小于0.3 mm,RMS(均方根)小于0.03 mm的要求。然后,對(duì)實(shí)際反射鏡進(jìn)行車削,利用機(jī)床的穩(wěn)定性保證反射鏡的面形質(zhì)量,并達(dá)到了較好的表面質(zhì)量,刀紋和彩環(huán)較弱。這一過(guò)程中,調(diào)刀件起到了關(guān)鍵作用,通過(guò)調(diào)整切削參數(shù)來(lái)滿足面形和表面質(zhì)量的要求。由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備無(wú)法對(duì)面形進(jìn)行全口徑測(cè)量,通過(guò)制作調(diào)刀件可以將面形調(diào)整到符合要求的水平,然后應(yīng)用相同的切削參數(shù)來(lái)加工實(shí)際反射鏡,保證了面形質(zhì)量的穩(wěn)定性。此外,提到零件完工后表面質(zhì)量較好,刀紋和彩環(huán)較弱,表明整個(gè)加工過(guò)程中對(duì)表面質(zhì)量的控制比較好,反射鏡零件的表面光滑度較高。

2.3? 等離子體脈沖激光加工技術(shù)

大口徑空間非球面反射鏡是一種特殊的光學(xué)元件,用于將入射光線聚焦或平行化。由于其復(fù)雜的曲面形態(tài)和大尺寸,傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法難以實(shí)現(xiàn)高精度的加工,因此等離子體脈沖激光加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大口徑空間非球面反射鏡的加工中。等離子體脈沖激光加工技術(shù)可以在非球面反射鏡的表面形成等離子體,并利用等離子體的高能量密度來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的去除和形變。具體加工過(guò)程如下。光學(xué)設(shè)計(jì):根據(jù)應(yīng)用要求和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,確定非球面反射鏡的設(shè)計(jì)參數(shù),包括曲率半徑、折射率、尺寸等。激光加工系統(tǒng)配置:選擇適當(dāng)?shù)牡入x子體脈沖激光加工系統(tǒng),包括激光源、光束傳輸系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)等。確保激光束具有足夠的能量密度和穩(wěn)定性。等離子體形成:將激光束聚焦到非球面反射鏡表面,形成高能量密度的等離子體。等離子體的形成可以通過(guò)調(diào)整激光束的焦點(diǎn)位置、功率和脈沖寬度等參數(shù)來(lái)控制。材料去除和形變:等離子體脈沖激光加工技術(shù)可以通過(guò)脈沖能量和作用時(shí)間的控制,實(shí)現(xiàn)材料的去除和形變[5]。在加工過(guò)程中,激光束的掃描和控制系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)曲面進(jìn)行精細(xì)加工和修整。加工檢測(cè)和修正:加工結(jié)束后,需要對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,可以對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正,以滿足光學(xué)設(shè)計(jì)要求。等離子體脈沖激光加工技術(shù)具有高加工精度、非接觸加工、適用于大尺寸和復(fù)雜曲面的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于大口徑空間非球面反射鏡的加工過(guò)程中,提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4? 加工參數(shù)優(yōu)化

在大口徑空間非球面反射鏡的加工過(guò)程中,加工參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度加工非常重要。激光功率:激光功率是指激光束在單位時(shí)間內(nèi)傳遞給工件的能量,直接影響到等離子體形成和能量密度的大小。在選擇激光功率時(shí),需要考慮工件材料的吸收率、加工速度和加工精度等因素,一般來(lái)說(shuō),低功率適合于細(xì)小結(jié)構(gòu)的加工,高功率適合于快速去除大量材料。脈沖寬度:脈沖寬度是指激光脈沖持續(xù)的時(shí)間,在等離子體形成和材料去除過(guò)程中起到關(guān)鍵的作用。較短的脈沖寬度可以減少熱輸入和熱影響區(qū),提高加工精度。然而,過(guò)短的脈沖寬度也會(huì)增加能量密度,導(dǎo)致材料汽化或產(chǎn)生過(guò)多的氣體等問(wèn)題。掃描速度:掃描速度是指激光在工件表面運(yùn)動(dòng)的速度,直接影響到材料去除和形變的程度。過(guò)慢的掃描速度會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)域擴(kuò)散,影響加工質(zhì)量和加工速度。而過(guò)快的掃描速度則會(huì)降低加工精度和表面質(zhì)量。焦點(diǎn)位置:焦點(diǎn)位置是指激光束聚焦在工件表面的位置。合適的焦點(diǎn)位置可以實(shí)現(xiàn)最佳加工效果。在非球面反射鏡的加工中,要根據(jù)曲面形狀和需要加工的區(qū)域選擇合適的焦距和焦點(diǎn)位置,以確保等離子體的形成和能量輸入的均勻性。在優(yōu)化加工參數(shù)時(shí),可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真來(lái)進(jìn)行定量分析和評(píng)估[6]。同時(shí),還可以結(jié)合加工經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí),對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行實(shí)際調(diào)整和改進(jìn)。最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)加工精度提高、加工速度增加和表面質(zhì)量改善等方面的綜合優(yōu)化。

3? 大口徑空間非球面反射鏡的檢測(cè)技術(shù)

大口徑空間非球面反射鏡的面形檢測(cè)可以采用接觸式和非接觸式測(cè)量方法。接觸式測(cè)量方法常用的是輪廓儀,輪廓儀可以通過(guò)機(jī)械探針或光學(xué)傳感器等進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)將測(cè)量探針或傳感器接觸到反射鏡表面,可以獲取表面的幾何信息,如高度、曲率、角度等。輪廓儀在測(cè)量大口徑反射鏡面形時(shí),需要考慮到儀器的量程和測(cè)量精度,選擇適當(dāng)?shù)妮喞獌x進(jìn)行測(cè)量。雖然輪廓儀測(cè)量速度快、方便且成本較低,但由于是接觸式測(cè)量,對(duì)于外觀要求較高的反射鏡(如光學(xué)鏡片)可能會(huì)在表面劃出細(xì)微的劃痕,影響表面質(zhì)量。非接觸式測(cè)量方法常用的是干涉儀或陰影法。干涉儀測(cè)量的原理是利用光的干涉效應(yīng)來(lái)獲取反射鏡表面形貌的信息,適用于非接觸式高精度的測(cè)量??梢允褂霉饫w干涉儀、白光干涉儀或激光干涉儀等來(lái)進(jìn)行測(cè)量。陰影法則是通過(guò)觀察光源在反射鏡表面產(chǎn)生的亮暗條紋模式來(lái)推斷出反射鏡的形狀。這些方法都可以在測(cè)量過(guò)程中不接觸反射鏡表面,因此不會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生損害。對(duì)于大口徑反射鏡的面形測(cè)量,由于儀器的限制,輪廓儀常常難以滿足需求,而干涉儀或陰影法則能夠在大口徑范圍內(nèi)進(jìn)行高精度的非接觸式測(cè)量,因此更為推薦。需要根據(jù)具體的加工要求和質(zhì)量要求,選擇合適的測(cè)量方法進(jìn)行面形檢測(cè)。

使用干涉儀進(jìn)行非球面反射鏡的面形測(cè)量需要加工專用的補(bǔ)償器。補(bǔ)償器的作用是在干涉測(cè)量時(shí),通過(guò)調(diào)整光程差的大小,使得干涉條紋在干涉儀的接收器上形成明暗交替的干涉圖案。通過(guò)觀察和分析干涉圖案,可以推斷出反射鏡面形的信息。補(bǔ)償器的精度對(duì)干涉測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要的影響。補(bǔ)償器的制備需要高精度的加工和校準(zhǔn)。通常,為了確保補(bǔ)償器的精度,會(huì)使用精密加工設(shè)備和精密傳感器來(lái)加工和校準(zhǔn)補(bǔ)償器。在加工過(guò)程中,需要精確控制補(bǔ)償器的尺寸、形狀和光學(xué)特性,以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)量過(guò)程中調(diào)校補(bǔ)償器相對(duì)復(fù)雜,需要根據(jù)具體測(cè)量要求對(duì)補(bǔ)償器進(jìn)行調(diào)整。調(diào)校的過(guò)程包括調(diào)整補(bǔ)償器的位置、角度和形狀等。這些調(diào)整操作需要對(duì)干涉儀的工作原理和補(bǔ)償器的特性有較深入的理解和經(jīng)驗(yàn)。干涉儀測(cè)量非球面反射鏡的面形具有非接觸式、高精度和可重復(fù)性好的特點(diǎn),適用于大口徑反射鏡的面形檢測(cè)。但也需要考慮到補(bǔ)償器的制備和調(diào)校的復(fù)雜性,以及測(cè)量過(guò)程中對(duì)儀器和環(huán)境的要求。因此,在進(jìn)行非球面反射鏡加工過(guò)程中,需要根據(jù)具體要求和實(shí)際情況選擇合適的測(cè)量方法。

例如針對(duì)∮150 mm反射鏡的SPDT加工過(guò)程,采用了Taylor Hobson公司PGI1240輪廓儀進(jìn)行面形測(cè)量。通過(guò)測(cè)量結(jié)果,對(duì)機(jī)床進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,直到在不進(jìn)行任何補(bǔ)償?shù)那闆r下,將調(diào)刀件的面形精度控制在PV小于0.3 mm和RMS小于0.03 mm的范圍內(nèi)。PGI1240輪廓儀是一種高精度的測(cè)量?jī)x器,可以測(cè)量和分析物體的輪廓、形狀和表面特征。使用該輪廓儀進(jìn)行面形測(cè)量的過(guò)程相對(duì)方便快捷,因?yàn)樗旧砼鋫淞怂璧膫鞲衅骱蛙浖?lái)獲取并分析測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)移動(dòng)測(cè)量探頭,可以在不接觸被測(cè)表面的情況下獲取高精度的面形數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)調(diào)刀件進(jìn)行輪廓儀測(cè)量,可以獲得其表面的幾何形狀和表面狀況信息。根據(jù)測(cè)量結(jié)果,可以評(píng)估反射鏡的面形偏差,并針對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,以控制面形精度在PV小于0.3 mm和RMS小于0.03 mm的范圍內(nèi)。這樣可以確保反射鏡在光學(xué)應(yīng)用中具有良好的表面質(zhì)量和光學(xué)性能。

4? 結(jié)束語(yǔ)

大口徑空間非球面反射鏡的加工與檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)可以提高其加工效率和表面質(zhì)量。通過(guò)綜合分析現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和挑戰(zhàn),提出了一種改進(jìn)的加工方法,并探索了新興的檢測(cè)技術(shù),本研究為大口徑空間非球面反射鏡的加工與檢測(cè)技術(shù)提供了新思路和方法,為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和工程師提供了重要的參考和指導(dǎo)。希望這項(xiàng)研究能對(duì)未來(lái)的研究和實(shí)踐產(chǎn)生積極的影響,并為推動(dòng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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