超精密加工铝反射镜表面形貌建模及散射特性研究

发布时间：2020-04-19 14:08

【摘要】：光学铝具有制造周期短、易于成型、质量轻等优点,将由铝合金制成的反射镜和支撑结构组合使用可以提高光学系统的温度适应性和稳定性,所以铝反射镜被越来越广泛的应用到航空航天、军工国防等重要领域。通过对铝合金材料进行超精密加工,可以获得满足红外光学系统成像要求的光学反射镜。但是反射镜表面的光散射现象严重降低了其光学性能,甚至会破坏光学系统的探测设备。所以探究影响反射镜表面光散射特性的主要因素,以便能够抑制或消除表面散射现象已经成为一个亟需解决的问题。本文综合考虑加工运动学、刀具几何形状、加工参数、塑性测流、弹性恢复以及加工振动等多种因素对表面形貌的影响,基于MATLAB软件建立超精密车削表面三维形貌模型,仿真分析加工过程中振动频率对车削表面脊峰数量和形状的影响规律。在此基础上,建立给定粗糙度前提下飞切和磨削加工表面的三维形貌模型。上述形貌模型将会导入后续的电磁场仿真中,作为几何模型的一部分来使用。为了定量描述加工表面的光散射特性,选择双向反射分布函数(BRDF)作为研究载体,利用相关理论推导出BRDF与电场强度之间的计算关系式。基于COMSOL有限元仿真软件建立电磁场仿真模型,采用背景场平面波的形式设置入射光源,利用MATLAB处理得到BRDF分布曲线。改变仿真参数,探究车削、飞切及磨削三种加工表面散射特性之间的差异性,验证车削加工方法的优越性。在此基础上,分析车削加工中进给量、振动幅值、刀尖圆弧半径及入射光源波长对表面散射特性的影响规律,对各种因素的作用机制进行相应的理论分析。针对Al6061材料开展反射镜超精密车削加工实验,利用激光干涉仪和白光干涉仪对工件表面形貌及粗糙度进行检测,并与仿真结果进行对比验证前文形貌模型的正确性。利用BRDF检测系统对工件表面的散射性能进行检测,分析车削进给量及入射光源角度对BRDF分布曲线的影响规律。根据实验所用样品的对应参数进行建模仿真,与实验结果对比并进行误差分析,从而验证前文电磁场仿真结果的正确性。
【图文】：

铝合金,反射镜,实际应用,光学反射镜

仪中的反射镜面组，具体应用如图 1-1 所示。与传统的反射镜材料玻璃、无涂层铍和单晶硅等相比，光学铝具有制造周期短、易于成型、质量轻等优点[6]。另外由铝合金制备的反射镜及其支撑结构具有相同的热膨胀系数，组合使用既可以减少系统结构的复杂性，又可以大大提高光学系统的温度适应性和稳定性[8]。光学反射镜作为整个系统的核心元件占据着十分重要的地位，入射光束在经过反射镜面后到达接收器表面聚焦成像，其表面光学性能对成像质量的影响至关重要。随着铝合金光学反射镜应用领域和需求规模的不断增大，如何制造出符合要求的高性能镜面成为了一个热门研究方向，由此就促进了光学反射镜面加工方法的进一步发展。

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的光散射现象严重降低了其表面光学性能。如图 1-2 所示，当成像光束入射到镜面时，产生的反射光线不会集中在镜面的主反射方向，在光学系统内部会难以避免的产生杂散光。部分杂散光会通过光学系统到达探测器表面，严重降低光学系统的信噪比和探测灵敏度，甚至破坏探测设备[12]。对于铝合金反射镜的实际工程应用而言，探究影响反射镜表面散射特性的主要因素及其作用规律，以便更好的抑制或者消除反射镜的散射现象具有重要的应用价值，但是此前的学者对超精密加工反射镜散射特性影响因素的研究却非常少见。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74

【参考文献】