空间复杂光学曲面离子束修形设备与工艺研究

发布时间：2018-06-12 16:40

本文选题：空间复杂光学曲面 + 离子束修形　；参考：《中国科学院长春光学精密机械与物理研究所》2017年博士论文

【摘要】：高精度复杂光学曲面是高分辨率空间对地光学遥感系统的核心元件,其制造精度和加工能力是制约高分光学系统研制的瓶颈技术之一。新型光学系统对反射镜面形精度要求越来越高,对传统光学加工技术提出了极大的挑战。因此,进一步研究超高精度光学元件的制造技术,对于提升高分辨率空间对地光学遥感系统的成像质量,具有重要研究意义。传统的光学加工方法诸如小磨头技术、应力盘抛光技术等,存在着磨盘与镜面吻合度不好、边缘效应、复印效应以及亚表面损伤等问题,极大地限制了复杂光学曲面加工的精度和效率。为更好地实现空间复杂光学曲面高精度的加工,离子束修形技术被应用于光学加工领域。离子束修形技术是计算机控制表面成形技术的一种,它将传统的小磨头替代为先进的离子源,具有非接触式和高确定性的加工特点,非常适合复杂光学曲面的加工。在其他参数一致的情况下,离子束加工过程中的去除函数会随着入射角度而发生变化,对于一般光学表面,离子束修形多采用三轴联动配合去除函数修正的方式进行加工。对于高陡度的复杂光学曲面,数学补偿已不能满足加工精度的要求,需要采用五轴联动系统保证离子束始终沿被加工点法向进行去除,保证去除函数的稳定性。此外,离子束加工复杂曲面过程中的热效应和前序工艺引入的中高频误差也严重限制了其加工性能。因此,为提高离子束修形的精度和效率,本文从离子束修形设备和工艺两个方面,展开空间复杂光学曲面的离子束修形研究,主要包括以下几个方面的内容:1.新型离子束修形运动系统创成研究被加工光学表面的空间误差频率与加工过程中的牺牲层厚度要求离子束修形运动系统需要具有良好的动态性能。结合串并联机构的优缺点,本文给出了基于混联构型的离子束修形五轴运动系统的构型设计及控制方案。针对混联机构的并联部分,采用封闭向量法建立了并联机构的运动学雅克比矩阵,实现了从驱动杆到离子源的运动学分析求解。为保证加工过程中离子源运动的稳定性,对设计的并联机构的位形奇异性进行了分析和验证。2.基于混联机床的复杂光学曲面离子束加工技术研究针对复杂光学曲面的特性进行了分析,结合离子束修形的特点提出了最接近球面加工的方法。按照最接近球面,给出了五轴混联运动系统的运动学逆解算法。分析了离子束修形驻留时间实现的方式,给出了速度模式加工的一般计算和工艺过程。对离子束修形误差进行了分析和建模,从离子源与工件的相对静态误差和混联运动系统的动态误差两个方面对其进行讨论,提出了基于法拉第扫描结合雷尼绍巡边的基准传递方式的静态误差校正方法,利用激光跟踪仪对混联运动系统的动态误差进行了校正,保证了混联机床逆解的精度。3.离子束加工过程中的热效应分析与抑制空间光学元件离子束加工过程中的热效应严重制约了其加工精度。为解决这一问题,本文基于离子束加工去除函数模型和蒙特卡洛仿真给出了离子束加工过程中的热源模型。采用有限元分析方法,分析了在移动边界条件和不均匀驻留时间分布下的光学元件温度场变化。引入了时间控制因子,通过对光学元件实施多步加工的方式对加工过程中的热效应进行了抑制。在有限元仿真的基础上,对时间控制因子进行优化计算,从而保证了离子束加工的效率。4.基于反卷积算法的中高频抑制组合加工策略离子束修形对于中高频误差的抑制作用有限,为提高加工的效率和精度,需要在整个加工过程中尽量避免或者减少中高频误差的引入。传统的加工方法首先采用磨头对光学表面进行加工,利用磨头的去除函数进行反卷积计算,根据获得的驻留时间分布实际加工,直至迭代一定精度后再使用离子束进行最终的修形。这种方法通常会在磨头精修的过程中引入较大的中高频误差,进而降低离子束加工时的效率和精度。本文基于反卷积算法,提出了一种小磨头和离子束组合加工的策略,可以有效地减少中高频误差的引入,并在提高离子束最终加工精度的同时缩短了整个光学元件的加工周期。5.空间复杂光学曲面离子束修形实验基于最接近球面加工策略,为充分验证五轴离子束修形运动系统的准确性和实用性,同时简化实验样件的制造难度和成本,本文选取了一块有效口径为100mm高陡度球面融石英反射镜进行了离子束修形实验。首先介绍了实验室自主研制的FSGJ800-IBF离子束修形系统,其次建立和完善了基于该系统的离子束修形工艺流程。实验结果表明,经过一轮加工,光学元件的面形的RMS值由初始的0.032λ(λ=632.8nm)收敛至0.014λ(λ=632.8nm),收敛比达到了2.3,验证了五轴离子束修形运动系统在加工过程中的实用性和准确性。根据空间复杂光学曲面传统光学加工中存在的问题,本文以离子束修形设备的研制为切入点,完善了空间复杂光学曲面离子束加工的工艺,提升了离子束修形的精度和效率,促进了离子束修形技术在光学加工领域的应用。
[Abstract]:In order to improve the precision and efficiency of complex optical surfaces , this paper presents a new method to improve the precision and efficiency of complex optical surfaces . This paper presents a new method of ion beam modification based on the inverse convolution algorithm , which can effectively reduce the accuracy and accuracy of the beam shaping system .
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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