本文關鍵詞：離子束拋光大口徑非球面去除模型與工藝研究

  更多相關文章： 大口徑 非球面 離子束拋光 去除模型 拋光工藝 表面質(zhì)量

【摘要】：隨著現(xiàn)代光學系統(tǒng)的不斷發(fā)展,要求有更高的分辨率、更大的視場角。對光學系統(tǒng)中光學表面的要求標準也越來越高。非球面的引入能夠有效的減小系統(tǒng)的復雜性、尺寸與重量。尤其是在大口徑空間遙感儀器中,非球面具有十分重要的應用意義。由此對大口徑非球面的精密加工提出更高要求,面形誤差RMS值需要優(yōu)于λ/60(λ=632.8 nm)。僅僅采用接觸式的磨盤加工法難以達到如此高的加工精度,因為在加工過程中磨盤與光學表面需緊密接觸,但是對于大口徑非球面磨盤難以與表面吻合,造成材料去除率不穩(wěn)定并可能向光學表面引入中頻誤差。除此之外,復印效應與邊緣效應也影響磨盤技術(shù)進一步提升拋光質(zhì)量。為實現(xiàn)大口徑非球面更高精度的拋光,多種新技術(shù)被引入到光學加工領域。包括離子束拋光、磁流變拋光、氣囊拋光、等離子體拋光與射流拋光等。離子束拋光是利用具有一定能量與空間分布的離子束流轟擊表面,實現(xiàn)材料精密去除的一種非接觸式光學加工手段。與傳統(tǒng)加工方法相比,離子束拋光去除函數(shù)穩(wěn)定性高、可控性好且沒有復印效應與邊緣效應,更適合大口徑高陡度非球面的高精度拋光。作為一種高確定性加工手段,離子束拋光過程中去除函數(shù)信息的準確性是保證更高加工精度的基礎。尤其是在離子束拋光大口徑非球面的過程中,曲面去除函數(shù)與平面基準去除函數(shù)相比發(fā)生明顯變化,為確保達到更高的加工精度,本文對離子束拋光大口徑非球面過程中材料去除模型、曲面去除函數(shù)計算補償以及相關加工工藝進行了系統(tǒng)研究,主要包括以下幾個方面內(nèi)容:1.離子束拋光基準去除函數(shù)模型建立與分析離子束拋光材料去除模型對于計算離子束拋光的去除函數(shù)與材料去除率具有重要意義。本文基于西格蒙德濺射理論對離子束拋光過程中材料去除過程進行了系統(tǒng)分析,由于能量分布不同導致的材料去除率變化,證明離子束流正入射平面時能夠得到近高斯型去除函數(shù)。定義離子束正入射平面時單位時間材料去除分布為基準平面去除函數(shù),并分別從離子束流性質(zhì)與離子源工作參數(shù)兩個角度出發(fā),對影響離子束基準去除函數(shù)性質(zhì)的因素進行了系統(tǒng)分析。2.離子束拋光過程中去除函數(shù)的在線檢測與實時監(jiān)控作為一種高精度的光學拋光手段,需要對去除函數(shù)進行準確的測量標定與計算,同時保證去除函數(shù)在拋光過程中的穩(wěn)定性。通過去除函數(shù)實驗得到去除函數(shù)數(shù)據(jù)雖然可以滿足測量精度要求,但是實驗成本高、周期長且無法進行在線測量。本文利用法拉第杯掃描得到的離子束流分布結(jié)果計算得到去除函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)去除函數(shù)的在線測量。由離子束拋光材料去除模型可知,去除函數(shù)由離子束流空間分布和離子能量共同決定,對法拉第掃描結(jié)果進行計算,可以得到與去除函數(shù)實驗同樣精度的去除函數(shù)信息。此方法成本低、周期短并能對不同工作參數(shù)的去除函數(shù)進行實時監(jiān)測。3.矩陣法修正離子束拋光高陡度非球面過程中去除函數(shù)變化與正入射到平面的狀況不同,在離子束拋光高陡度非球面的過程中,由于光學表面上離子束流分布、濃度與離子入射參數(shù)均發(fā)生變化,去除函數(shù)也有明顯變化,需要對其進行修正和補償以解算更準確的駐留時間。根據(jù)離子濺射原理能量沉積理論建立曲面去除函數(shù)計算模型,并分析了曲面去除函數(shù)與平面基準去除函數(shù)之間的區(qū)別。提出了利用光學表面幾何信息、離子束流空間分布等主要信息計算得到曲面去除函數(shù)變化矩陣,將平面基準去除函數(shù)與曲面去除函數(shù)變化矩陣相結(jié)合計算非球面拋光過程中曲面去除函數(shù)。并根據(jù)實際工程需要,分別對三軸離子束拋光系統(tǒng)和五軸離子束拋光系統(tǒng)加工非球面過程中的去除函數(shù)變化進行了分析。提出兩種不同程度的近似計算方法,實現(xiàn)曲面去除函數(shù)的快速計算,有效的計算得到離子束拋光非球面過程中曲面去除函數(shù)信息,保證了離子束拋光非球面的效率和質(zhì)量。4.離子束拋光過程中改善材料表面質(zhì)量的工藝研究精密光學系統(tǒng)對光學表面質(zhì)量的要求越來越高,提升拋光后光學表面質(zhì)量具有重要意義。針對常見的鏡面材料進行仿真計算與實驗,探究離子束作用下鏡面表面質(zhì)量演化的物理過程。離子束提升表面質(zhì)量的主要方法有離子束直接光滑法與犧牲層輔助離子束光滑法,分別對兩者的作用原理與適用范圍進行了研究和分析,針對不同材料采用不同策略達到改善表面質(zhì)量的目標。大口徑非球面加工過程中鏡面誤差的中頻成分將影響鏡面精度與光學系統(tǒng)成像質(zhì)量。本文結(jié)合離子束加工材料去除特點提出兩種抑制中頻誤差的方法,一種是大磨盤與離子束拋光組合加工法;另一種是附加材料輔助離子束拋光法,實驗證明兩種方法均能夠比較有效的抑制和去除鏡面中頻誤差成分,效果比較理想。5.離子束拋光大口徑非球面應用實驗在上述研究的基礎上,建立了離子束拋光多種材料的數(shù)據(jù)庫,并建立完善了離子束拋光大口徑非球面的工藝操作流程,并完成了多項大口徑離軸非球面反射鏡的高精度拋光工作,其中包括φ1450 mm硅改性層離軸非球面的拋光,經(jīng)過共30小時的加工,面形誤差RMS值由50.912 nm達到8.785 nm。能夠很好的滿足加工精度需求。本文對離子束拋光大口徑非球面過程中遇到的主要問題與加工工藝進行了系統(tǒng)研究,建立了曲面去除函數(shù)模型,對離子束拋光大口徑非球面過程中的去除函數(shù)信息進行準確計算,并以此為基礎利用矩陣算法解算加工駐留時間。在加工工藝發(fā)面,提出利用離子束拋光提升鏡面質(zhì)量、抑制鏡面中頻誤差的方法,克服了傳統(tǒng)加工方法對加工精度的限制。根據(jù)大口徑非球面加工特點,完善了離子束拋光大口徑非球面工藝流程,提升了離子束拋光效率、準確性以及應用范圍。
【關鍵詞】：大口徑 非球面 離子束拋光 去除模型 拋光工藝 表面質(zhì)量
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH74;TQ171.684
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-42
• 1.1 課題背景及研究意義14-17
• 1.2 常用的非球面加工技術(shù)簡介17-38
• 1.2.1 傳統(tǒng)光學加工法17-18
• 1.2.2 范成法非球面加工18-19
• 1.2.3 計算機控制光學表面成形法19-22
• 1.2.4 小磨盤加工法22-25
• 1.2.5 應力加工法和應力盤加工法25-27
• 1.2.6 氣囊拋光法27-28
• 1.2.7 等離子體化學蒸發(fā)法28-29
• 1.2.8 磁流變拋光法29-32
• 1.2.9 離子束拋光法32-37
• 1.2.10 加工技術(shù)小結(jié)37-38
• 1.3 研究的目的和意義38
• 1.4 主要研究內(nèi)容38-42
• 第2章 離子束拋光材料去除原理與去除模型建立42-76
• 2.1 概述42-43
• 2.2 離子束拋光材料去除43-48
• 2.2.1 離子與物質(zhì)作用物理過程43-45
• 2.2.2 離子濺射效應45-47
• 2.2.3 離子束拋光去除函數(shù)的形成47-48
• 2.3 離子束拋光去除函數(shù)特點48-57
• 2.3.1 光學加工離子源性能對比48-52
• 2.3.2 去除函數(shù)的光學加工特征52-54
• 2.3.3 離子入射參數(shù)對去除函數(shù)的影響54-57
• 2.4 離子束拋光去除函數(shù)的在線測量57-66
• 2.4.1 離子束空間分布測量57-60
• 2.4.2 離子濃度分布于去除函數(shù)關系60-66
• 2.5 離子源工作參數(shù)對去除函數(shù)的影響66-73
• 2.5.1 離子能量電壓、氣體流量與射頻功率的影響67-69
• 2.5.2 離子光學系統(tǒng)對去除函數(shù)的影響69-73
• 2.5.3 離子束中和電流與工作距離對去除函數(shù)的影響73
• 2.6 本章小結(jié)73-76
• 第3章 離子束拋光非球面去除函數(shù)計算76-108
• 3.1 概述76-77
• 3.2 去除函數(shù)在非球面上的變化77-86
• 3.2.1 鏡面曲率與入射角度影響77-80
• 3.2.2 離子束流濃度變化影響80-83
• 3.2.3 曲面去除函數(shù)計算83-84
• 3.2.4 不同離子束拋光系統(tǒng)中去除函數(shù)變化84-86
• 3.3 三軸離子束拋光系統(tǒng)曲面去除函數(shù)補償86-97
• 3.3.1 鏡面法線方向去除函數(shù)87-93
• 3.3.2 實驗室坐標系h方向去除函數(shù)93-97
• 3.4 離子束拋光算法97-102
• 3.5 加工實驗102-105
• 3.6 本章小結(jié)105-108
• 第4章 離子束拋光工藝研究108-130
• 4.1 概述108-109
• 4.2 離子束拋光對表面粗糙度的影響109-118
• 4.2.1 離子束流對材料表面的粗糙化效應與光滑化效應109-111
• 4.2.2 影響鏡面粗糙度演化的因素與離子束直接光滑效應111-116
• 4.2.3 犧牲層輔助離子束拋光法提升表面質(zhì)量116-118
• 4.3 離子束拋光對中頻誤差的抑制118-123
• 4.3.1 中頻誤差的產(chǎn)生于去除118-119
• 4.3.2 大磨盤與離子束組合抑制中頻誤差119-120
• 4.3.3 附加材料輔助離子束拋光法抑制中頻誤差120-123
• 4.4 離子束拋光中的熱效應123-127
• 4.4.1 離子束拋光熱效應模型123-126
• 4.4.2 離子束拋光熱效應控制126-127
• 4.5 本章小結(jié)127-130
• 第5章 離子束拋光工程應用130-140
• 5.1 概述130
• 5.2 離子束拋光數(shù)據(jù)庫與去除函數(shù)在線優(yōu)化130-132
• 5.3 離子束拋光工作流程132-134
• 5.4 加工實驗134-138
• 5.5 本章小結(jié)138-140
• 第6章 結(jié)論與展望140-144
• 6.1 總結(jié)140-141
• 6.2 論文創(chuàng)新點141
• 6.3 工作展望141-144
• 參考文獻144-154
• 在學期間學術(shù)成果情況154-156
• 指導教師及作者簡介156-158
• 致謝158

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