摘 要:介绍了空间相机中的离轴非球面第三反射镜(矩形口径)在数控加工过程中在研磨和抛光阶段的检测情况。利用自行研制的非球面测量机对研磨阶段离轴非球面的面形精度进行了测量,其最后的研磨精度达到了1μm(RMS)。抛光阶段离轴非球面的检测采用的是补偿法,其中零位补偿器是补偿检验的关键元件。该离轴非球面的最终面形达到了在200 mm通光口径内约λ/30的精度(λ=0.632 8μm)。
1 引 言
目前,非球面光学元件越来越多地应用于光学系统,特别是在空间光学系统中应用地更多。与传统球面光学系统相比较,在保证系统成像质量的先决条件下,通过使用非球面元件可以减少系统所需光学表面的数量,进而减小光学系统的尺寸和重量。一般的非球面方程可用式(1)表示:
式中,C为顶点曲率;A1为二次非球面系数;A2,A3为高次非球面系数。
依据轻型宽覆盖相机的特点,为了达到大视场、高分辨力、体积小、重量轻,并能得到完美的成像质量的目的,光学系统采用离轴三反射镜消像散光学系统。该系统中的离轴三镜有:C=1/1 988.862,A1=0.143 102,外形尺寸为774 mm×207 mm,试验件所用材料为国产微晶玻璃。
由于离轴三镜的口径较大、非球面的偏离量较大、形状非圆对称,所以该反射镜的制造难度大,传统抛光法对它已不适合。因此采用计算机控制光学表面制造技术(CCOS)对其进行加工。
图1是用这种方法加工离轴非球面的工艺流程图。
按照加工余量最小的原则,在有效通光口径内,使非球面与最接近球面矢高差为正,且均方根值最小。笔者求解出了轻型宽覆盖相机第三镜的最接近球面半径为1 986 mm。因此,选取1 986 mm作为三镜初始球面半径。
首先用范成法将已轻量化的毛坯铣磨成半径为1 986 mm的球面,然后对其进行非球面研磨修改。从图1所示的离轴非球面加工的工艺流程图中可以看到,从非球面研磨修改到最后成品完成需要有研磨和抛光两个阶段的检测。检测在离轴非球面的制造过程中是极其重要的一个环节,其检测结果用于指导加工,并决定了非球面的最后抛光精度。下面分别对研磨和抛光两个阶段的检测方法进行阐述。
2 离轴非球面研磨的检测
2.1 离轴非球面的研磨
使用非球面数控加工中心—FSGJ-1对三镜坯料在球面基础上进行了非球面化的研磨修正。由于离轴三镜有效通光口径的几何形状为非圆对称的矩形,在研磨过程中为减少浮动研磨头沿矢高方向的行程,将三镜的子午方向旋转5°角,使其在边缘处的矢高基本相等,并按照图2的运动轨迹对矩形面进行研磨。
2.2 离轴非球面研磨阶段的检测
离轴非球面研磨阶段面形的检测采用的是轮廓测量法[1]。由于在离轴非球面检测中测头的运动方式不同于共轴非球面检测,系统误差对检测结果影响较大,笔者自行设计并制造了一台非球面面形测量仪。图3为非球面面形测量仪的原理示意图。
如图3所示,非球面面形测量仪采用双测头加标准平尺的结构。当测量仪表沿着导轨滑动对工件表面进行测量时,表上的两个测头分别作用到工件和标准平尺上,通过对两个表头的差分,实时地消除了测量系统误差,提高了精度。将非球面面形测量仪测得的离轴非球面面形的数据文件转化为研磨文件,并用它指导非球面加工机床对非球面面形的修磨。经过十几个周期的研磨,离轴非球面镜的面形精度如图4所示。
图4中间在近似于矩形的区域内代表离轴非球面的表面。从图中可以看到,矩形口径的离轴非球面面形精度为0.728μm(RMS),小于1μm,可以转移到下一道工序———抛光。
3 离轴非球面抛光阶段的检测
3.1 离轴非球面零位补偿法干涉测量原理
笔者利用ZygoG-PI相移干涉仪,并设计了Offner折射型补偿器[2],采用零位补偿干涉计量法来实现离轴非球面抛光阶段的检测。图5是用零位补偿干涉法检测离轴非球面的光路图。
所设计的Offner折射型补偿器可以将来自干涉仪的平面检验波前变为带有初级球差的波前。在非球面表面所有带区内,此波前都分别与非球面的表面法线垂直,从而实现对非球面的零位补偿检验。如果零位补偿器与被检非球面都是理想的,则检验光束将完全按照原路返回,并与参考光束相干涉,从而得到完美的“零”(无面形误差)条纹结果。反之,若被检面含有一定的误差,则这些误差将影响反射光束,并最终反映到干涉条纹中。
3.2 离轴非球面检测中的调整
由于离轴非球面的离轴特性,在进行干涉检验时必须准确调整非球面镜与补偿器之间的相对位置,通过调整,将对准误差与非球面面形误差分离开来,以便指导数控加工。为了准确调整非球面镜与补偿器之间的相对位置,笔者设计了5自由度精密调整架,结合计算机辅助调整技术,顺利地完成了离轴非球面镜的精密调整与检验。其调整原理如图6所示。
在图6中,离轴非球面镜放置在5自由度调整架上,调整架具有X方向的平动、X方向的倾斜、Y方向的平动、Y方向的倾斜和Z方向的平动等5个自由度。通过对这5个自由度的联调,可以消除由离轴非球面镜和补偿器对准误差引起的像差,如慧差、像散等。
3.3 离轴非球面的检测结果
离轴非球面的抛光是在数控机床上进行的。每抛光一个周期,首先用如图5所示的补偿法对它进行检测一次,然后用测得的结果再指导抛光。
结果表明,在离轴非球面的矩形口径内,干涉条纹已基本达到均匀等间隔排列,只是在边缘处质量有所下降。每200 mm口径内面形误差的均方根值达到约λ/30。ZerNIke多项式拟和后,面形误差的均方根值为0.029λ,残余误差为3λ/1000。这个检测结果基本达到了笔者预期的目的。
4 结 论
在光学加工过程中,检测手段是极其重要的,它直接决定着光学加工的精度。在矩形口径离轴非球面反射镜研磨阶段,采用自行研制的双测头非球面测量机对其面形精度进行了接触式测量,其研磨精度达到了1μm(RMS),达到了抛光前对该反射镜面形精度的要求。抛光阶段,离轴非球面的检测采用的是补偿法,设计了零位补偿器对非球面波前进行了补偿,利用Zy-goGPI相移干涉仪对其表面进行了干涉检测。该离轴非球面最终面形精度达到了每200 mm通光口径内约λ/30 (λ= 0.632 8μm)的精度。
参考文献:
[1] Breidenthal, Robert S. Measurement of large optical surfaces for fabri-cation using a nonoptical technique [J]. SPIE,1992,1618:97—103.
[2] Montagnino L A , A Offner. Design and testing with a reflective nullsystem [Z]. the SPACe Telescope, NASA SP-392:135—138, 197.
作者简介:张峰(1969-),男,吉林省吉林市人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室副研究员,博士,主要从事超精加工与检测方面的研究,目前在吉林大学原子分子物理研究所从事博士后的研究工作。
