發(fā)布時(shí)間：2018-06-12 16:40

  本文選題：空間復(fù)雜光學(xué)曲面 + 離子束修形　； 參考：《中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所》2017年博士論文

【摘要】：高精度復(fù)雜光學(xué)曲面是高分辨率空間對(duì)地光學(xué)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(xué)系統(tǒng)研制的瓶頸技術(shù)之一。新型光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡面形精度要求越來(lái)越高,對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)加工技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。因此,進(jìn)一步研究超高精度光學(xué)元件的制造技術(shù),對(duì)于提升高分辨率空間對(duì)地光學(xué)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(xué)加工方法諸如小磨頭技術(shù)、應(yīng)力盤(pán)拋光技術(shù)等,存在著磨盤(pán)與鏡面吻合度不好、邊緣效應(yīng)、復(fù)印效應(yīng)以及亞表面損傷等問(wèn)題,極大地限制了復(fù)雜光學(xué)曲面加工的精度和效率。為更好地實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜光學(xué)曲面高精度的加工,離子束修形技術(shù)被應(yīng)用于光學(xué)加工領(lǐng)域。離子束修形技術(shù)是計(jì)算機(jī)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(jìn)的離子源,具有非接觸式和高確定性的加工特點(diǎn),非常適合復(fù)雜光學(xué)曲面的加工。在其他參數(shù)一致的情況下,離子束加工過(guò)程中的去除函數(shù)會(huì)隨著入射角度而發(fā)生變化,對(duì)于一般光學(xué)表面,離子束修形多采用三軸聯(lián)動(dòng)配合去除函數(shù)修正的方式進(jìn)行加工。對(duì)于高陡度的復(fù)雜光學(xué)曲面,數(shù)學(xué)補(bǔ)償已不能滿足加工精度的要求,需要采用五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)保證離子束始終沿被加工點(diǎn)法向進(jìn)行去除,保證去除函數(shù)的穩(wěn)定性。此外,離子束加工復(fù)雜曲面過(guò)程中的熱效應(yīng)和前序工藝引入的中高頻誤差也嚴(yán)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(shè)備和工藝兩個(gè)方面,展開(kāi)空間復(fù)雜光學(xué)曲面的離子束修形研究,主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:1.新型離子束修形運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)成研究被加工光學(xué)表面的空間誤差頻率與加工過(guò)程中的犧牲層厚度要求離子束修形運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要具有良好的動(dòng)態(tài)性能。結(jié)合串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),本文給出了基于混聯(lián)構(gòu)型的離子束修形五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)及控制方案。針對(duì)混聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)部分,采用封閉向量法建立了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)雅克比矩陣,實(shí)現(xiàn)了從驅(qū)動(dòng)桿到離子源的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解。為保證加工過(guò)程中離子源運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,對(duì)設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位形奇異性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。2.基于混聯(lián)機(jī)床的復(fù)雜光學(xué)曲面離子束加工技術(shù)研究針對(duì)復(fù)雜光學(xué)曲面的特性進(jìn)行了分析,結(jié)合離子束修形的特點(diǎn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法。分析了離子束修形駐留時(shí)間實(shí)現(xiàn)的方式,給出了速度模式加工的一般計(jì)算和工藝過(guò)程。對(duì)離子束修形誤差進(jìn)行了分析和建模,從離子源與工件的相對(duì)靜態(tài)誤差和混聯(lián)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行討論,提出了基于法拉第掃描結(jié)合雷尼紹巡邊的基準(zhǔn)傳遞方式的靜態(tài)誤差校正方法,利用激光跟蹤儀對(duì)混聯(lián)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行了校正,保證了混聯(lián)機(jī)床逆解的精度。3.離子束加工過(guò)程中的熱效應(yīng)分析與抑制空間光學(xué)元件離子束加工過(guò)程中的熱效應(yīng)嚴(yán)重制約了其加工精度。為解決這一問(wèn)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(guò)程中的熱源模型。采用有限元分析方法,分析了在移動(dòng)邊界條件和不均勻駐留時(shí)間分布下的光學(xué)元件溫度場(chǎng)變化。引入了時(shí)間控制因子,通過(guò)對(duì)光學(xué)元件實(shí)施多步加工的方式對(duì)加工過(guò)程中的熱效應(yīng)進(jìn)行了抑制。在有限元仿真的基礎(chǔ)上,對(duì)時(shí)間控制因子進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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(duì)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(gè)加工過(guò)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(duì)光學(xué)表面進(jìn)行加工,利用磨頭的去除函數(shù)進(jìn)行反卷積計(jì)算,根據(jù)獲得的駐留時(shí)間分布實(shí)際加工,直至迭代一定精度后再使用離子束進(jìn)行最終的修形。這種方法通常會(huì)在磨頭精修的過(guò)程中引入較大的中高頻誤差,進(jìn)而降低離子束加工時(shí)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(shí)縮短了整個(gè)光學(xué)元件的加工周期。5.空間復(fù)雜光學(xué)曲面離子束修形實(shí)驗(yàn)基于最接近球面加工策略,為充分驗(yàn)證五軸離子束修形運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性,同時(shí)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了離子束修形實(shí)驗(yàn)。首先介紹了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)一輪加工,光學(xué)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(dá)到了2.3,驗(yàn)證了五軸離子束修形運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在加工過(guò)程中的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。根據(jù)空間復(fù)雜光學(xué)曲面?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)加工中存在的問(wèn)題,本文以離子束修形設(shè)備的研制為切入點(diǎn),完善了空間復(fù)雜光學(xué)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(jìn)了離子束修形技術(shù)在光學(xué)加工領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH74

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本文編號(hào)：2010343