一种大口径大非球面度天文镜面磨制新技术

主动抛光盘技术是近年来因天文望远镜的口径越来越大,焦比越来越快而发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制大口径非球面度高精度天文镜面的磨制技术。非球面表面的曲率不仅各点不一致,而且同一点的径向与切向曲率也不相同,所以经典的大的抛光盘不可能使其表面形状始终与所接触的非球面表面形状相吻合;常用的小磨盘抛光的致命缺点是解决不了高频切带,抛光效率也低。而主动抛光盘技术正好解决这些难题。与传统方法相比,它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。这是一种用计算机控制的磨镜技术,通过它可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了我国成功研制的主动抛光盘以及它在直径910mm,焦比F／2抛物面镜加工中的成功应用和加工的结果,以及此项技术将在2m以上直径天文镜面,特别是30m巨型天文光学／红外望远镜的分块子镜磨制中的应用前景。     

主动抛光盘面形测试技术的研究

主动抛光盘技术是新发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成离轴非球面来磨制深非球度高精度天文镜面的磨制技术。简单介绍了抛光盘变形控制结构和面形检测机构，对深非球面度面形变形进行了精度分析，探讨了主动抛光盘的动态响应和校正，并对抛光盘的改造提出了一些建议。     

对主动抛光盘在加工、测量状态下盘面的变形及提升的数学分析*

用主动抛光盘磨制非球面是一个动态的过程,必须保证在计算机控制下,主轴的移动、旋转。和抛光盘的旋转、倾斜、变形及升降,以及主镜的旋转都步调一致。推导出在模式中诸要点的位置、速度、加速度和时间的关系,并根据所加工的口径φ910mm,焦比为F／2的抛物面主镜参量和所用主动抛光盘的参量分析：1)主动抛光盘基板的变形特性。即它的变形量、变形的速度和加速度。以及近似公式与精确公式之间的差异;2)主动抛光盘背面的三个提升点运动规律。即它的升降量、升降的速度和加速度;3)主动抛光盘的变形量和它在差分变压器式线性微位移传感器(LVDT)测试架上所测得的测量量之间的关系;4)分析主动抛光盘的变形与提升的速度与加速度和抛光盘沿横梁的运动速度V1以及抛光盘自身的转速V2之间的关系和特性。此分析是主动抛光盘的数学基础,它为主动抛光盘的机械和电控设计提供了技术依据,为实现计算机控制下的6轴联动提供了保证。     

主动抛光盘磨制非球面镜面控制技术的研究

介绍了抛光盘机械结构和基本运动方式,探讨了主动抛光盘的控制系统和面形检测,重点对变形技术进行了数学分析,并给出了实验结果。根据实验结果分析了面形误差产生的原因,讨论了主动抛光盘的动态响应和校正,给出了直径910mm,焦比为F/2的实验镜面磨制结果。     

离轴抛物面镜的单件加工技术

介绍了单件加工离轴抛物面镜的基本过程。主要是先按公式算出起始球面半径，并磨好这个球面。然后计算出最大非球面修磨量，根据其大小决定修改非球面从细磨开始还是直接用抛光修改。用刀口检验离轴抛物面时的要点是一定要用直角刀口。修磨时要先修误差最突出的地方。关键的问题是避免出现马鞍形的局部误差。     

基于弹性力学的应力加工方法有限元分析

基于弹性力学理论,对应力加工方法的原理、算法及玻璃薄板对复杂面型的模拟进行了研究。在球面镜周边分布力和力矩的状态下对球面变形为轴对称非球面进行了分析,以抛物面镜为例,采用有限元法对玻璃薄板周边施加均布弯矩后产生的变形量和最大应力进行了模拟、分析和仿真计算,得出的仿真结果与球面和抛物面之间的理想变形量进行比较,验证了基于弹性力学的应力加工方法加工旋转对称非球面理论的正确性。     

多磨头数控抛光对大口径离轴抛物面镜中频误差的抑制

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响,针对该问题,提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术,用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析,并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟,对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明:采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差,加工的两件?460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%,达到2.835 nm,并且PV小于0.16λ(632.8 nm),RMS小于0.02λ。     

光学元件超精密气囊抛光关键技术研究现状

空间光学元件对面形精度和表面质量有着极高的要求,气囊抛光采用了新型的抛光工具和特殊的运动形式,是一种高精度、高效率的光学元件加工方法,尤其适用于非球面的加工,具有广阔的应用前景.分析了气囊抛光技术的基本原理及该技术的发展过程,介绍了气囊抛光相关技术的研究情况和实验结果,对几项关键技术的研究现状进行综述,重点介绍材料去除特性、驻留时间控制算法、边缘精度控制以及最新开发的喷液抛光技术的研究情况.     

环形抛光的生产工艺

在大口径超精密平面光学元件加工中，环形抛光（简称环抛）是一种重要的抛光技术。由于抛光的过程复杂，并受很多因素影响，环抛加工技术一直未能取得有效突破，也未能形成稳定的生产能力。文中用主动轮方法精确控制校正盘和元件转速，进行抛光胶配比实验及新抛光胶盘的制作、抛光胶盘开槽改进、新制胶盘面形快速收敛、区域环境的控制改进、改变抛光液pH值控制胶盘老化等，以提高环形抛光的效率。     

高效光学加工技术

本工作主要包括KDP晶体单点金刚石车削加工和是非球面透镜数控抛光技术。     

能动抛光磨盘的有限元法分析

 能动磨盘在光学抛光时随磨盘移动位置和旋转角度不同而产生不同的变形以实时与大口径被抛光工件表面实现良好的吻合。模拟了能动磨盘的工作过程，探讨了用于光学抛光的可行性。以加工直径1.5m，f1/2的抛物面光学元件为例，用有限元法对能动磨盘能够产生的变形进行了仿真计算，结果表明能动磨盘能够以较高精度产生旋转对称或非对称的二次曲面。     

纳米级面形精度光学平面镜加工

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。     

大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺的研究

通过将多块不同尺寸的碳化硅平面试片以及一块口径为520mm碳化硅凹非球面反射镜作为镜面改性工艺技术的实验平台,对大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺技术进行探索、分析和研究。重点研究了前期PVD改性前镜面特性与PVD改性层的最佳匹配关系,主要是PVD改性层与镜面粗糙度和残留面形误差的要求和最佳结合点。采用的抛光方式为磨盘相对镜体做行星运动,采用相同的离子束辅助沉积法进行凹椭球面碳化硅反射镜的镜面改性。实验结果表明:通过选用合适的方案对改性后的PVD改性层镜面的面形误差进行修抛,可同时提高其镜面光洁度和粗糙度,最终测试结果为0.756　nm（Sq）,与改性前比较,粗糙度得到一定程度的提高。     

离轴非球面零位补偿检验的非线性畸变校正

在大口径、快焦比非球面的补偿检验中，入射光线在短距离内发生大角度急剧折转，导致干涉仪面形检验结果图像产生非线性畸变，严重影响了数控小磨盘抛光的位置精度和误差去除效率。为了校正离轴非球面在补偿检验中产生的图像畸变，提出了一种校正非线性畸变图像的方法，通过同心环带法确定畸变中心位置并利用光线追迹建立被检镜到干涉图的映射关系。针对某一光学系统的520 mm×250 mm的离轴抛物面主镜进行了畸变图像的校正，校正结果面形与工件面形的位置偏差降到1 mm以下，满足小磨盘抛光的工作要求。     

能动抛光磨盘的变形实验研究

 能动抛光磨盘实时产生不同的表面变形，在对大口径非球面光学元件进行精磨和抛光时实现与工件表面良好的大尺寸吻合，可以消除传统光学加工采用小尺寸磨头时带来的高频残余误差并提高加工效率。以加工直径1.3m左右，F/2的抛物面光学元件为例，对能动磨盘在不同离轴度时能够产生的变形进行了计算和实验。结果表明，能动磨盘能够以较高精度产生旋转对称或非对称的抛物面形状。对能动磨盘产生变形后的残余误差进行了分析。     

基于PZT的非球面能动抛光盘设计优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。     

大型非球面反射镜的柔性光学制造技术

提出了柔性光学制造技术 (FOMT)的概念。介绍了计算机控制小工具抛光 (CCOS)和计算机控制应力盘(CCSL)抛光的技术特点 ;讨论了CCOS在抛光过程中的工艺技术优化方案 ;给出了应力盘变形的数学物理模型及在周边 12个驱动器的作用下应力盘全口径和 80 %口径范围内的变形仿真结果 ;研究了在全口径 φ5 0 0mm盘上的工程实现途径及应力盘与机床CNC的通讯关系以及抛光工艺研究 ;分析了CCOS、应力盘抛光和经典法抛光技术的综合运用 ;探讨了柔性光学制造技术发展的必然趋势。