本文選題：空間復雜光學曲面 + 離子束修形��； 參考：《中國科學院長春光學精密機械與物理研究所》2017年博士論文

【摘要】：高精度復雜光學曲面是高分辨率空間對地光學遙感系統(tǒng)的核心元件,其制造精度和加工能力是制約高分光學系統(tǒng)研制的瓶頸技術(shù)之一。新型光學系統(tǒng)對反射鏡面形精度要求越來越高,對傳統(tǒng)光學加工技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。因此,進一步研究超高精度光學元件的制造技術(shù),對于提升高分辨率空間對地光學遙感系統(tǒng)的成像質(zhì)量,具有重要研究意義。傳統(tǒng)的光學加工方法諸如小磨頭技術(shù)、應力盤拋光技術(shù)等,存在著磨盤與鏡面吻合度不好、邊緣效應、復印效應以及亞表面損傷等問題,極大地限制了復雜光學曲面加工的精度和效率。為更好地實現(xiàn)空間復雜光學曲面高精度的加工,離子束修形技術(shù)被應用于光學加工領域。離子束修形技術(shù)是計算機控制表面成形技術(shù)的一種,它將傳統(tǒng)的小磨頭替代為先進的離子源,具有非接觸式和高確定性的加工特點,非常適合復雜光學曲面的加工。在其他參數(shù)一致的情況下,離子束加工過程中的去除函數(shù)會隨著入射角度而發(fā)生變化,對于一般光學表面,離子束修形多采用三軸聯(lián)動配合去除函數(shù)修正的方式進行加工。對于高陡度的復雜光學曲面,數(shù)學補償已不能滿足加工精度的要求,需要采用五軸聯(lián)動系統(tǒng)保證離子束始終沿被加工點法向進行去除,保證去除函數(shù)的穩(wěn)定性。此外,離子束加工復雜曲面過程中的熱效應和前序工藝引入的中高頻誤差也嚴重限制了其加工性能。因此,為提高離子束修形的精度和效率,本文從離子束修形設備和工藝兩個方面,展開空間復雜光學曲面的離子束修形研究,主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:1.新型離子束修形運動系統(tǒng)創(chuàng)成研究被加工光學表面的空間誤差頻率與加工過程中的犧牲層厚度要求離子束修形運動系統(tǒng)需要具有良好的動態(tài)性能。結(jié)合串并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)缺點,本文給出了基于混聯(lián)構(gòu)型的離子束修形五軸運動系統(tǒng)的構(gòu)型設計及控制方案。針對混聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)部分,采用封閉向量法建立了并聯(lián)機構(gòu)的運動學雅克比矩陣,實現(xiàn)了從驅(qū)動桿到離子源的運動學分析求解。為保證加工過程中離子源運動的穩(wěn)定性,對設計的并聯(lián)機構(gòu)的位形奇異性進行了分析和驗證。2.基于混聯(lián)機床的復雜光學曲面離子束加工技術(shù)研究針對復雜光學曲面的特性進行了分析,結(jié)合離子束修形的特點提出了最接近球面加工的方法。按照最接近球面,給出了五軸混聯(lián)運動系統(tǒng)的運動學逆解算法。分析了離子束修形駐留時間實現(xiàn)的方式,給出了速度模式加工的一般計算和工藝過程。對離子束修形誤差進行了分析和建模,從離子源與工件的相對靜態(tài)誤差和混聯(lián)運動系統(tǒng)的動態(tài)誤差兩個方面對其進行討論,提出了基于法拉第掃描結(jié)合雷尼紹巡邊的基準傳遞方式的靜態(tài)誤差校正方法,利用激光跟蹤儀對混聯(lián)運動系統(tǒng)的動態(tài)誤差進行了校正,保證了混聯(lián)機床逆解的精度。3.離子束加工過程中的熱效應分析與抑制空間光學元件離子束加工過程中的熱效應嚴重制約了其加工精度。為解決這一問題,本文基于離子束加工去除函數(shù)模型和蒙特卡洛仿真給出了離子束加工過程中的熱源模型。采用有限元分析方法,分析了在移動邊界條件和不均勻駐留時間分布下的光學元件溫度場變化。引入了時間控制因子,通過對光學元件實施多步加工的方式對加工過程中的熱效應進行了抑制。在有限元仿真的基礎上,對時間控制因子進行優(yōu)化計算,從而保證了離子束加工的效率。4.基于反卷積算法的中高頻抑制組合加工策略離子束修形對于中高頻誤差的抑制作用有限,為提高加工的效率和精度,需要在整個加工過程中盡量避免或者減少中高頻誤差的引入。傳統(tǒng)的加工方法首先采用磨頭對光學表面進行加工,利用磨頭的去除函數(shù)進行反卷積計算,根據(jù)獲得的駐留時間分布實際加工,直至迭代一定精度后再使用離子束進行最終的修形。這種方法通常會在磨頭精修的過程中引入較大的中高頻誤差,進而降低離子束加工時的效率和精度。本文基于反卷積算法,提出了一種小磨頭和離子束組合加工的策略,可以有效地減少中高頻誤差的引入,并在提高離子束最終加工精度的同時縮短了整個光學元件的加工周期。5.空間復雜光學曲面離子束修形實驗基于最接近球面加工策略,為充分驗證五軸離子束修形運動系統(tǒng)的準確性和實用性,同時簡化實驗樣件的制造難度和成本,本文選取了一塊有效口徑為100mm高陡度球面融石英反射鏡進行了離子束修形實驗。首先介紹了實驗室自主研制的FSGJ800-IBF離子束修形系統(tǒng),其次建立和完善了基于該系統(tǒng)的離子束修形工藝流程。實驗結(jié)果表明,經(jīng)過一輪加工,光學元件的面形的RMS值由初始的0.032λ(λ=632.8nm)收斂至0.014λ(λ=632.8nm),收斂比達到了2.3,驗證了五軸離子束修形運動系統(tǒng)在加工過程中的實用性和準確性。根據(jù)空間復雜光學曲面?zhèn)鹘y(tǒng)光學加工中存在的問題,本文以離子束修形設備的研制為切入點,完善了空間復雜光學曲面離子束加工的工藝,提升了離子束修形的精度和效率,促進了離子束修形技術(shù)在光學加工領域的應用。
[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 .
【學位授予單位】：中國科學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】：2017
【分類號】：TH74

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本文編號：2010343