-
常用非球面方程如下:
$$ Z\left(y\right)=\dfrac{{y}^{2}/{R}}{1+\sqrt{1-\left(1+K\right)\cdot \dfrac{{y}^{2}}{{R}^{2}}}}+\sum \nolimits_{i=1}^{n}{A}_{2\left(i+1\right)}{y}^{2\left(i+1\right)} $$ (1) 式中:R为顶点曲率半径;K为二次曲面常数;A2(i+1) 为高次项系数。文中加工的离轴凸非球面反射镜为高次离轴曲面,其主要技术参数如表1所示。
表 1 主要技术参数
Table 1. Main technical parameters
Material D/mm R/mm K Off axis/mm A6 A8 A10 RMS/nm Fused quartz 298×264 3662.528 −9.75 196.45 3.055E-18 −2.658E-23 5.8136E-29 1/40λ 基于表1所示的高次离轴凸非球面的相关技术参数,分析其非球面度和非球面梯度等关键指标,用以评估其加工难度。选择镜面顶点和边缘相接的球面作为最佳拟合球面对其非球面度和非球面梯度进行计算,其最大非球面度为0.09 mm,最大非球面梯度为2.18 μm/mm,如图1和图2所示。
基于计算机控制的离轴非球面加工方法与传统加工工艺有明显的不同。基于数控的多工艺组合加工充分发挥了各个加工手段的特点,实现优势组合后的高效高精度加工。在铣磨阶段,基于高精度数控五轴加工中心实现高面形精度、低亚表面损伤的高质量磨削表面。抛光阶段利用气囊小磨头的高确定性和沥青抛光的平滑特性实现全频段收敛。整个工艺流程各个阶段的预期加工指标如图3所示。
-
为实现低亚表面损伤、高面形精度的超精密磨削表面,将铣磨分为粗磨和精磨两个阶段。粗磨阶段主要实现光学零件的快速成型,采用大粒度固着磨粒砂轮、大进给量、大切削深度的加工策略完成材料的快速去除[7]。精磨阶段主要实现高质量磨削表面的创成,采用小粒度固着磨粒砂轮、小进给量、小切深的加工策略,最终可获得亚表面损伤10 μm左右、面形精度小于5 μm的磨削表面。加工参数如表2所示。
表 2 加工参数
Table 2. Processing parameters
Step Size/μm Speed/m·s−1 Depth/μm Feed/m·min−1 1 91 18 100 300 2 18 18 10 150 加工实验基于劳尔G1-2P五轴联动铣磨加工中心完成,该机床直线轴运动定位精度可达±1 μm,具备回转口径500 mm、面形精度微米量级光学零件的加工能力。加工过程和加工结果分别如图4和图5所示。
-
离轴非球面沿母线方向上曲率各不相同,目前较为成熟的加工技术是CCOS技术,其加工原理是以去除函数为基础,表面定量的检测数据为依据,在特定工艺条件下通过对三维形貌误差进行算法解算,并据此控制小磨头在非球面表面不同位置的驻留时间,实现对非球面表面误差的修正[8]。文中采用这种技术来实现对离轴凸非球面反射镜的加工。
气囊抛光是目前比较成熟的一种小磨头加工方式。通常情况下,采用合适硬度的橡胶制作球形柔性体作为抛光膜的支撑体,在充气情况下气囊具备稳定的保形能力,其结构示意图如图6所示。气囊抛光膜可以选择聚氨酯、抛光布等多种抛光膜材料,再配合不同气压的调节可获得不同大小的去除函数,有效适应不同面形输入条件下的确定性加工。此外,气囊磨头为小曲率凸球面,可以实现磨头与工件接触区域的良好吻合,基于高精度、多自由度执行机构可以完成各种大偏离量自由曲面的加工[9]。文中基于奥普泰克五轴加工中心完成抛光,加工过程如图7所示。
光学零件精密磨削和气囊抛光在加工过程中往往会残留周期性的轨迹误差,这些中高频误差很大程度上制约表面面形向更高精度收敛,因此在加工过程需要通过平滑的方式将中频降低到一定幅值。光学表面平滑的难点是如何选择能与非球面表面高度贴合且硬度适中的磨头,通常情况下半柔性磨头能有效去除光学表面的高点和低点,且高点的去除率大于低点去除率,达到修正中高频误差的目的。其加工示意图如图8所示。
-
气囊抛光的主要目的是快速去除磨削残留的亚表面损伤并根据面形结果修正低频面形误差,预抛光后直接进行沥青小磨头平滑加工,作为首轮组合加工,非球面面形误差如图9所示。
图 9 第一轮组合加工结果。(a)面形误差;(b) Zernike残差
Figure 9. Results after first combined process. (a) Surface error; (b) Zernike residual
由图9(a)可知,首轮组合加工后的面形RMS值为0.123λ;Zernike残差如图9(b)所示,其RMS值约为0.078λ。从面形图和残差图中都可以看到类似光栅轨迹的条状痕迹,这主要是由铣磨和预抛光阶段的轨迹残留所致,随着面形的进一步收敛,这些小周期误差将成为中频误差的主要成份。在后续的加工过程中需要对这些中频进行有效抑制,使全频段误差按照相近的收敛率达到目标精度。以图9的面形结果作为输入,继续进行两轮的气囊磨头和沥青小磨头组合加工,结果分别如图10和图11所示。
图 10 第二轮组合加工结果。(a)面形误差;(b) Zernike残差
Figure 10. Results after second combined process. (a) Surface error; (b) Zernike residual
图 11 第三轮组合加工结果。(a)面形误差; (b) Zernike残差
Figure 11. Results after third combined process. (a) Surface error; (b) Zernike residual
由图10(a)可知,经过第二轮组合抛光,面形RMS值为0.044λ;Zernike残差如图10(b)所示,其RMS值约为0.025λ。通过图10(a)与图9(a)、图10(b)与图9(b)的对比可知,其收敛率分别为2.8和3.1。
由图11(a)可知,经过第三轮组合抛光,面形RMS值为0.025λ;Zernike残差如图11(b)所示,其RMS值约为0.017λ。通过图11(a)与图10(a)、图11(b)与图10(b)的对比可知,其收敛率分别为1.8和1.5,整体面形达到指标要求。综合对比三轮组合加工结果可以看出,该组合加工方式可以实现全频段的面形收敛,但每轮各个频段的收敛率存在差异,且随着组合加工轮数的增加,其收敛率也有所降低。
为了更加准确地评价组合加工对空间各个频段的影响,将过程中三轮组合加工的结果使用功率谱密度(PSD)进行分析,如图12所示。由图可知,PSD曲线稳定下降,但是不同周期的误差收敛率略有不同,需要进一步调整优化半柔性平滑磨头的结构设计和加工工艺参数,实现表面目标误差频段的稳定收敛。
Combined fabrication of high order off-axis convex aspheric mirror (invited)
-
摘要: 为提高离轴三反消像散(TMA)光学系统中次镜的制造效率和精度,开展了离轴凸非球面反射镜组合加工和零位检测的研究工作。首先,介绍了方形(298 mm×264 mm)高次离轴凸非球面反射镜的光学参数、技术指标和总体加工路线;其次,提出了铣磨加工工艺策略以及基于气囊和沥青的小磨头组合加工工艺;最后,阐述了光学零件抛光阶段采用的背部透射零位补偿检测法和Offner型零位补偿器,并采用光线追迹法对镜片的零位补偿检验面形畸变进行了矫正,最终面形RMS值为0.025λ (λ=632.8 nm),满足技术指标要求。上述组合加工工艺和背部透射零位补偿检测方案可以显著提升高次离轴凸非球面反射镜的加工精度和效率。Abstract: In order to improve the manufacturing accuracy and efficiency of the secondary mirror in the off-axis three mirror anastigmatic (TMA), the combined fabrication and testing technologies of the off-axis convex aspheric mirror were studied. Firstly‚ the optical parameters, technical specifications and overall processing route of square (298 mm×264 mm) high order off-axis convex aspheric mirror were introduced. Then, the grinding processing strategy and the combined processing technology based on bonnet and pitch polishing were presented. At last, offner-type compensator was used to meet the back transmission null lens testing in the polishing stage, and then the surface distortion was corrected by ray tracing method, the final RMS value was 0.025λ (λ=632.8 nm), which meet the target requirements. The above combined processing technology and back transmission null lens testing detection scheme can significantly improve the processing accuracy and efficiency of off-axis convex aspheric mirror.
-
表 1 主要技术参数
Table 1. Main technical parameters
Material D/mm R/mm K Off axis/mm A6 A8 A10 RMS/nm Fused quartz 298×264 3662.528 −9.75 196.45 3.055E-18 −2.658E-23 5.8136E-29 1/40λ 表 2 加工参数
Table 2. Processing parameters
Step Size/μm Speed/m·s−1 Depth/μm Feed/m·min−1 1 91 18 100 300 2 18 18 10 150 -
[1] Zhang Feng. Fabrication and testing of precise off-axis convex aspheric mirror [J]. Optics and Precision Engineering, 2010, 18(12): 2557-2563. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20101812.2557 [2] Xiong Ling, Luo Xiao, Qi Erhui, et al. Sensitivity analysis of different scan arcs forswing arm profilometer test [J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(2): 0217003. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA201847.0217003 [3] Chen Qinfang, Li Yingcai, Ma Zhen, et al. Alignment of off-axis conic aspheric mirrors in stigmatic null test [J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(2): 0222001. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS201131.0222001 [4] Gao Songtao, Sui Yongxing, Yang Huaijiang. High precise testing of asphere with computer-generated hologram and error evaluation [J]. Acta Optica Sinica, 2013, 33(6): 0612003. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS.201333.0612003 [5] Cai Zhihua, Wang Xiaokun, Hu Haixiang, et al. Non-null stitching test convex aspheric metal mirror [J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(11): 20210061. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA20210061 [6] Zhou Hao, Wang Xing, Liu Qiang‚et al. Optical system design of Offner compensator with infinity object distance applied on aspheric mirror testing [J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(19): 190801. (in Chinese) doi: 10.3788/LOP57.190801 [7] Lin B, Li S P, Cao Z H, et al. Theoretical modeling and experimental analysis of single-grain scratching mechanism of fused quartz glass [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2021, 293: 117090. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117090 [8] Wang Peng, Chen Ya, Xuan Bin, et al. Polishing large aperture mirrors by manipulator [J]. Optics and Precision Engineering, 2010, 18(5): 1077-1085. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20101805.1077 [9] Wang Fei, Zhang Jian, Peng Lirong, et al. Motion precision control in bonnet polishing [J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(8): 2220-2228. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20152308.2220 [10] Zeng Xuefeng, Yan Feng, Xue Donglin, et al. Distortion correction in testing of off-axis asphere with computer generated hologram [J]. Chinese Journal of Lasers, 2013, 40(11): 1109003. (in Chinese) doi: 10.3788/CJL.201340.1109003