摘要：针对超轻超薄反射镜(超薄镜)径厚比大、自身刚度小、单独加工难度大的问题，采用基底支撑方式对超薄镜进行加工。我们研究了在加工过程中粘接、温度、应力等因素所导致的超薄镜变形的控制手段并对变形控制效果提出了评判方法。通过 195 mm 口径超薄镜工艺实验对控制变形的工艺进行改进，用改进后的加工工艺进行了340 mm 口径的超薄镜制造，得到了比较理想的面形，下盘后 PV 值 5.74λ，RMS 值 1.02λ (λ=632.8 nm)。这表明在超薄镜制造过程中变形控制的技术方案可行，工艺改进方向正确。同时，实验结果表明，超薄镜制造过程中的变形最终表现为镜面出现非重力因素引起的像散。
1 引 言
大口径非球面反射镜已经广泛应用于空间光学系统。由于传统的轻量化非球面反射镜在空间的应用受到自重大运载平台空间限制、空间环境适应能力差等种种因素的制约，2 m 级口径目前已经接近可以应用的极限。如美国的哈勃望远镜主镜采用熔合封接法制造，口径为 2.4 m。但用户对光学系统分辨率性能指标的提高要求能够制造出口径更大的非球面反射镜，传统方法已显得捉襟见肘。因此发射时可折叠于运载工具内，入轨后可以展开拼接的空间可展开光学系统设计概念应运而生，该设计采用超轻超薄分块子反射镜拼接为超大口径的非球面主反射镜。超薄镜的概念首先由美国提出，其厚度仅几个毫米，口径却可以达到数百甚至上千毫米，背部采用微位移大行程致动器实现镜体支撑和面形调节。和传统轻量化反射镜相比，超薄镜连同其支撑调节机构的面密度仍然可以保持在一个小的量级上。如美国 Arizona 大学研制的超薄镜样品厚度 2 mm，口径 530 mm，连同 36 个致动器总重量仅为 4.73 kg[1-3]。
空间可展开光学系统和超薄镜的设想不但满足了空间光学系统的更高分辨率要求，而且与传统的轻量化反射镜相比还具有重量小，发射成本低，面形可调，空间环境适应能力强等独特优势。超薄镜是空间可展开光学系统中的关键部件之一，制造出径厚比达到几百甚至上千而经主动支撑调节后仍能达到高精度面形的超轻超薄非球面反射镜是这项技术实施的重要环节。
由于超薄镜径厚比极大，在制造过程中极易发生各种变形而影响最终的面形精度，因此如何在制造过程中有效控制变形成为大口径超轻超薄非球面反射镜制造工艺的核心技术。
2 超薄镜制造中的大变形控制
用于制造超薄镜的镜坯本身径厚比较大，尤其是完成表面成形进入最终研抛阶段的工件根本无法承受制造工具的压力，易形成较大的变形而影响制造和检测，因此必须对超薄镜制造过程中的大变形进行控制。对工件提供足够刚度的支撑是解决该问题的途径。目前除由美国亚历桑那大学光学中心、长春光学精密机械研究所分别采用的基底支撑方案[1-4]和南京天文光学技术研究所采用的分离点浮动支撑方案外尚无更好的支撑方案。
基底支撑方案是将镜坯一面成形后用一层薄薄的粘接剂粘接到与其曲率接近的同种材料的厚基底上，由基底实现支撑并保证工件在加工过程中的刚度，后续加工可以完全采用成熟的加工工艺。待工作面加工完成后在将超薄镜从基底上卸下。其优点是可采用比较成熟的光学加工工艺完成工作面的制造，缺点是引入了粘接和下盘工序，增加了这两个环节中超薄镜变形的可能。
分离点浮动支撑是通过各分离的支撑点为工件提供支撑力而实现支撑，分离点数量、分布位置和支撑力大小均由计算所得，其优点是可实现工件的单件制造无需更多的工艺环节，制造检测可同时进行，缺点是实现难度大，刚度远远小于基底支撑，无法承受大的加工压力只能采用小口径工具加工，制造效率低。南京天文光学技术研究所用该支撑方法实现了中心厚度 26 mm，径厚比约为 40:1 的薄镜制造[5]，而目前尚未见采用该方法实现更大径厚比超薄镜制造成功的报道。目前我们所研制的超薄镜径厚比达到三位数，从支撑刚度的可靠性上考虑我们采用基底支撑控制制造中的大变形，并据此制定了超薄镜的制造流程，如图1 所示。
3 超薄镜制造中各环节的变形控制
3.1 粘接变形及相应控制方法
由于采用上述制造流程，粘接对工件的影响不可忽视。粘接变形主要由于粘接力引起。如图2，对平面零件进行粘接，由于粘接剂凝固后粘接力分布不均使平面变成凸面，再经研磨抛光成平面并下盘后，又由于粘接力消失，加工面因零件的弹性变形部分恢复而变成凹面。实际上粘接变形情况非常复杂。根据光学冷加工的经验，粘接力对工件的面形影响巨大。而对于如此大径厚比的工件，粘接力造成的工件变形远远大于传统轻量化反射镜，将成为超薄镜制造过程中对最终面形产生不利影响的主要因素。我们从以下几方面对粘接变形进行控制:
1) 粘接表面处理
超薄镜镜坯和基底的粘接面在粗磨成型后需要进行细磨对研以达到两个目的，第一是通过对研使一凸一凹两个面的面形能够达到相互吻合，曲率一致，这是保证粘接胶层厚度一致的前提;第二是通过细磨对研过程去除在粗磨过程中产生的粗糙破坏层，加快粘接剂在粘接表面的渗透速度[6]，为粘接剂在粘接表面的完全润湿创造条件。
完成对研后还需要对超薄镜镜坯的粘接面进行抛光处理。经过对研细磨后虽然表面粗糙破坏层被去除，但表面仍然残留一些较浅的细微破坏层。这个破坏层不会严重影响粘接剂对表面的湿润效果，但粘接后却是在超薄镜粘接面上产生应力的重要原因。抛光处理可以进一步去除这个破坏层，达到超薄镜镜坯粘接面的光滑和致密，起到消除预应力的作用。完成上述处理后使用乙醇乙醚混合溶剂反复多次擦拭粘接表面，去除表面粘附的灰尘、油脂等杂质，同时去除表面吸附层，增强粘接表面活性，为获得良好的粘接效果创造条件。
2) 粘接剂选择
石蜡和沥青是常用的光学零件加工和工艺材料用胶[7]，对两者的特性进行比较如表1。
根据上述比较，我们认为沥青混合物作为粘接剂更能够符合超薄镜粘接要求：
① 石蜡粘接层可能因粘接拉力太大而引起超薄镜坯的严重形变。 ② 沥青在高温熔融状态下流动性强于石蜡，能够比石蜡更好的实现对玻璃表面的湿润，这是实现高强度粘接的前提。虽然很多光学零件粘接用胶也可以很好的实现两者的粘接，但顾及到光学零件粘接用胶的光学性质不利于超薄镜面形的高精度干涉检测，因此不考虑使用。
3) 粘接工艺
具有良好流动性的沥青可以快速渗入粘接表面的细微缝隙形成表面湿润，固化时间长，粘接层厚度易于控制，在粘接层中不易形成气泡。因此为确保粘接过程中粘接层厚度和粘接力分布均匀，必须将沥青彻底熔融待其具有良好流动性后再进行粘接。
3.2 热变形及相应控制方法
零件加工中的各种热量必定影响被加工工件本身各处的温度，产生温度梯度，从而使被加工工件表面产生变形。如图3 所示，如果超薄镜厚度方向产生 t ℃温差，径向的温度分布是线性的，则抛光表面的微小变形量可用下式表示[8]：
其中：为材料线膨胀系数，t 为厚度方向产生的温度差，φ为直径，d 为厚度。以加工φ100 mm，厚度分别2 mm 和4 mm，材料为微晶的两个零件为例，当上下表面温度差从 0.1~1°C变化时，变形量如表2 所示。
由于温度所产生的超薄镜变形在加工过程中不可忽视。但由于实际温度的分布非常复杂，因此热变形也非常复杂。我们从以下几个方面对热变形进行控制：
1) 超薄镜铣磨成形时，严格控制冷却液温度;
2) 在最后一次精磨前，给予零件足够时间冷却，以使其温度足够均匀;
3) 基底材料和零件材料选用热膨胀系数一致的材料，最好是同种材料;
4) 每次检测前，都要让零件在恒温室中放置一段时间，待其温度均匀后再检测。
5) 超薄镜工作面加工完成后采用有机溶剂浸泡，使沥青在汽油中溶解后实现超薄镜和基底的常温分离，避免在最后环节加热对最终面形产生影响。
3.3 应力引起的变形及控制方法
材料内部应力不可避免的普遍存在，因此应选用高等级材料作为工件毛坯。另外在毛坯成形后应对各表面进行抛光处理，以去除其表面残余应力。
4 对超薄镜制造过程中控制变形的效果评判
口径越大厚度越薄的超薄镜在制造过程中控制其变形的难度也越大，对于不同口径不同厚度的超薄镜，仅以下盘前后的面形变化的绝对值来评判超薄镜制造过程中控制变形的效果是片面和不完全的，因此可以将面形变化的绝对值和超薄镜口径、厚度联系起来，以式(2)、(3)来评判其制造过程中变形的控制效果，即：
其中：PV2、RMS2分别表示下盘后超薄镜镜面面形的峰谷值和均方根值，PV1、RMS1分别表示超薄镜完成面形加工后未下盘时面形峰谷值和均方根值，以纳米为单位;D、h 分别为超薄镜的口径和厚度，均以毫米为单位;TPV、TRMS则均为无单位量纲，分别表示从峰谷值和均方根值角度评判加工中控制变形的效果。显然TPV、TRMS越小表明在制造过程中对超薄镜变形的控制效果越好，最理想状态下两者应该为零。如果在制造前对超薄镜口径、厚度和下盘前后的变形量等提出要求，则可以定义：
作为该超薄镜制造过程中控制变形的难度系数，难度系数越高难度越大。
5 超薄镜制造工艺试验及结果
大多数非球面和其最接近球面的最大偏离量比超薄镜厚度要小一个数量级，这个偏离量对控制超薄镜变形基本没有影响。因此可以用球面代替非球面进行超薄镜制造工艺试验对上述变形控制技术的控制能力进行验证。对比达到加工精度的超薄镜下盘前后的镜面面形，可得到其变化情况和变形后的象差形式。
5.1 195 mm 口径超薄镜实验
根据上述加工流程和超薄镜变形控制方法，我们首先进行了 195 mm 口径超薄镜制造实验。所研制的超薄镜实验件采用 K9 材料，厚度 1.6 mm，曲率半径 970 mm。完成工作面加工后未下盘的超薄镜经富士干涉仪检测其面形 PV 值0.46λ，RMS 值 0.044λ(λ=632.8 nm)(图4)。超薄镜经汽油浸泡下盘后富士干涉仪检测其面形 PV=7.41λ，RMS=1.33λ。检测结果表明超薄镜下盘后的主要变形形式表现为像散(图5)。
将超薄镜旋转一个角度后进行检测，所得结果如图6 所示，像散随之发生旋转，检测结果没有大的变化，PV=7.03λ，RMS=1.21λ (λ=632.8 nm)。对上述超薄镜加工实验的结果分析可知，超薄镜面形上的像散不是由于重力引起的，而主要是下盘后粘接应力释放所致的超薄镜变形，这与我们的预期相符合。因此在超薄镜的面形主动调整中应该注意对像散的校正。
根据计算该超薄镜 TPV=7.39，TRMS=1.39。
5.2 340 mm 口径超薄镜样品制造
根据 195 mm 口径超薄镜的加工经验，我们对超薄镜加工工艺主要进行了如下改进：
1) 为加快有机溶剂的渗入速度，在基底打通孔，使有机溶剂能够通过这些小孔渗入胶层。小孔直径不宜太大以避免对面形加工产生影响。
2) 增加镜坯背面和侧面抛光工序以消除预应力。所加工的超薄镜样品口径340 mm，微晶材料，厚度 1.5 mm，曲率半径 1 648 mm。加工中和完成加工下盘后的超薄镜分别为图7、8。
经zygo 干涉仪检测下盘前其面形PV 值0.22λ，RMS 值 0.025λ，下盘后 PV 值5.74λ，RMS 值1.02λ(λ=632.8 nm)如图9、10 所示。超薄镜的下盘后变形同样表现为非重力因素引起的像散。根据目前的相关研究表明这样的面形误差仍在主动控制可调节范围内。根据计算，该超薄镜 TPV=1.8，TRMS=0.33。
我们将195 mm 口径超薄镜和340 mm 口径超薄镜的各项指标在表3 中进行了比较。340 mm 口径超薄镜在制造过程中的变形控制优于195 mm 口径超薄镜，说明工艺改进的方向是正确的，镜坯背面和侧面抛光消除预应力工序对控制变形效果明显。
6 结 论
大口径超轻超薄非球面反射镜由于其自身镜厚比大，在制造过程中易发生变形而影响最终的面形，因此在制造过程中需要从多方面考虑控制其变形。粘接、温度和应力是超薄镜产生变形的主要因素，应在加工各环节采取措施予以控制。
超薄镜制造过程中的变形和超薄镜口径、厚度相关，控制效果可以将超薄镜的变形量、口径、厚度联系起来进行评判，也可以此表征某一超薄镜制造的变形控制难度。195 mm 和340 mm 口径超薄镜制造实验验证了在各环节进行变形控制的工艺可行性和控制效果，表明
目前工艺改进方向正确，尤其是 340 mm 口径超薄镜制造得到了比较令人满意的镜面面形。超薄镜制造实验同时也表明镜面发生的最终变形表现为非重力因素引起的像散，因此在设计主动调节方案和结构时应重点考虑对像散的校正能力。
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基金项目：江苏省高校自然科学研究计划项目(05KJA14003)
作者简介：黄启泰(1979-)，男(汉族)，江苏扬州人，助理研究员，博士，主要研究光学非球面元件加工与检测。E-mail: huangqitai@126.com
