大口径光学零件轻量化工艺研究

1、大尺寸光学零件轻量化工艺研究Technical study of the great size lightweight optical elements答辩人答辩人:孙涛孙涛 指导教师指导教师:耿素杰耿素杰 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 轻量化反射镜的制备技术轻量化反射镜的制备技术 第三章第三章 球面轻量化反射镜的光学零件图及球面轻量化反射镜的光学零件图及 主要技术指标主要技术指标 第四章第四章 轻量化球面镜的加工工艺轻量化球面镜的加工工艺 第五章第五章 轻量化球面镜的检测轻量化球面镜的检测 结论结论 致谢致谢 摘摘 要要 本文介绍了轻量化反射镜的三类主要方法和轻量化反射镜的意义。并且

2、结合实例具体地介绍了球面反射镜的轻量化工艺和精确面形的加工和检测。 关键词：轻量化关键词：轻量化 反射镜反射镜 检测检测第一章第一章 绪论绪论 无论是气象预报,资源考察,天文观测,还是军事侦察、预警等高科技的发展都需要适合于空间环境使用的高分辨率的光学遥感和照相系统。 要想达到理想的极限分辨率是光学系统追求的主要目标。光学系统分辨率用下式表示 式中f 焦距; 工作波长;D 反射镜口径。 从式中看出,要达到理想的光学分辨率,分辨更小的物体,加大口径D 是重要的技术途径。Df22.1 采用轻量化反射镜在保证加大口径追求理想的光学分辨率前提下, 即可有效地减轻重量,又可通过有限元分析选择薄壁结构,提

3、高了刚度, 在改进和提高光学像质和结构稳定性的同时显著地降低了成本。因而研究和应用轻量化反射镜十分重要。 反射镜的轻量化，在天基光学系统中的作用主要表现如下： (1) 降低系统重量，极大地节约发射费用。 (2) 保持系统的光学质量。 第二章第二章 轻量化反射镜的制备技术轻量化反射镜的制备技术 以玻璃质材料（包括微晶玻璃）制作轻型反射镜的主要技术途径可分为下列三类，即：浇铸成型法，高温熔接或熔接物封接法，机械钻孔减重法。三种方法各有其特点，对镜坯材料要求也各有所异，制作的反射镜性能也有差异.2.1浇铸成型法浇铸成型法 本方法的特征是采用预先制备好的模具，在高温下将熔融的玻璃液注入模具，形成需要的

4、反射镜镜坯形状，待温度逐渐下降，玻璃液转变为固体，而得到反射镜镜坯 .图示为几种不同的高温铸模方式。 2.2高温熔接法高温熔接法 高温熔接法制作的轻型反射镜为夹芯结构形式的轻型反射镜,即反射镜由作为反射工作面的反射板和作为反射镜刚性骨架的蜂窝夹芯层及为增强反射镜刚性的底板等三部分组成,图为夹芯结构反射镜示意图。图中所示外环和内环可以根据需要取舍。2.3熔接物封接法熔接物封接法 熔接物封接法与高温熔接法不同的是反射板、蜂窝板和底板的封接不是靠材料本身的软化而熔接,而是采用一种特殊研制的封接材料,其封接作业温度远低于镜坯材料的软化温度,而热膨胀系数与镜坯材料相匹配,其他物理和化学性能也与镜坯材料相

5、容。2.4机械钻削减重法机械钻削减重法 通过机械钻削方法,将反射镜中的冗余部分去除,以实现反射镜的轻量化,是较早开始使用的制作轻型反射镜的方法.其过程可简述为:通过钻头的机械转动,以磨料(通常为金刚砂)与玻璃的机械磨削,逐步在反射镜底部形成盲孔,实现减重。此方法形成的反射镜通常是底部开孔结构。 第三章第三章 球面轻量化反射镜的光学零件图及球面轻量化反射镜的光学零件图及主要技术指标主要技术指标 资源后续星五米相机光学系统结构形式采用折反式光学系统。其中球面反射镜是关键光学元件之一,也是这台相机初样研制中需进行重点工艺技术攻关项目之一。 它的主要技术难点是: (1)轻量化加工工艺。 (2)高精度光

6、学抛光工艺与检测。 (3)宽带高反射镀膜。 球面反射镜材料为德国肖特厂(shott)生产的微晶玻璃(Zerodur)牌号CO-115M. 球面反射镜外形尺寸:33046.85,通光口315,球面半径R1918.28。 轻量化率 65%,轻量化结构采用扇形结构,孔间壁厚5mm,镜面厚度12mm。 用干涉仪检测面形误差局部差其均方根值(RMS)小于/60 。 表面光洁度P=IV级。 表面镀银反射膜加保护膜。在工作波段=(0.50.90) um ,平均反射率R 0.97 第四章 轻量化球面镜的加工工艺 4.1球面反射镜的轻量化加工工艺球面反射镜的轻量化加工工艺 4.1.1 工艺方法与设备工艺方法与设

7、备 我们采用的是机械钻孔方法。这种方法比较切实可行，稳妥可靠。当然，由于要求加工扇型孔，技术上有一定难度。我们所采用机床设备是ZX-40型钻铣床，并进行必要的改装和加上转台等附件，就可以用于光学加工了。4.1.2工装设计与制造工装设计与制造 全部轻量化孔有36个扇形孔和一个中心圆孔，呈轴对称分布。由于均为盲孔，对于扇形孔需采用金刚石钻头和铣刀套料加工。钻头结构形状是在钢质钻头杆上镶嵌长条形状金刚石块。这种钻头切削效率高，寿命长。机床上的改装主要是在工作台上加装水盆以及安装光学零件底板，并加装一个转台。用来加工扇形孔与进行孔的方向定位，配置一个冷却水箱与水泵。4.1.3轻量化钻孔加工轻量化钻孔加

8、工 工艺过程简述如下工艺过程简述如下 （1）粗磨加工。在大型粗磨铣磨机上对德国进口的微晶玻璃毛坯进行改厚度，滚外圆台阶，改基面并铣磨开半径R1918.28（也可以用粗磨盘开半径) （2）划线。将全部加工孔的坐标位置与外形尺寸均画出。为了防止加工孔过程中划线被冲洗掉，需用金刚石刻刀划深一些。 （3）在ZX-40型钻铣床上安装定位固紧光学零件进行钻孔加工，这种加工是要小心谨慎进行的。一个扇形孔的加工需经多道工序，现在划好的扇形区域内加工几个小圆孔，然后用铣刀进行成形加工，角度由精密转台控制。小圆孔的作用是减小铣刀的进刀阻力并且防止炸裂现象的发生。通常半天到一天加工一个扇形孔。4.2球面的光学加工工

9、艺球面的光学加工工艺 4.3.1初始精磨抛光初始精磨抛光 为避免球面镜抛光完装框，灌胶时产生变形，降低表面面形精度，采取了分阶段抛光。初始抛光时对球面镜光学元件进行常规精磨，抛光，不必达到设计最终面形精度，仅达到N = 0.4，N = 0.30.4,然后进行灌胶，装框，待装完框并使胶层稳定化后，对球面反射镜组合件进行带框加工，即第二阶段最终的精密抛光。 4.2.2最终精密抛光与检测最终精密抛光与检测 第一次精密抛光了一个多月，用刀口仪与刀口干涉仪检测时镜框边缘支撑在V形木座上局部线接触会产生轻微变形。2006年5月份再次精修抛光，采用胶点上盘，镜框粘在铁盘上进行抛光，检测时也支撑在铁盘上，减少

10、了镜框受力的影响，最终消除了像散，成功提高面形，用刀口仪检验面形，阴影图均匀，没有带，用读数显微镜观测星点像（星点0.02mm），光斑很圆，焦前焦后无像散现象，估计可达到N = 0.2。用刀口干涉仪检测，面形误差N的P-V值为0.116，RMS值为0.017（约等于/60），达到图纸要求。 4.2.3球面反射镜修复干涉图说明球面反射镜修复干涉图说明 图为检测时镜子摆放在V型架上示意图（单位：） (1)文件名：A0002 当A点朝上时. 扣除边缘3%和中心15%口径：P-V值 = 0.346，RMS值= 0.032 （波前差），图为均匀一片红。 .全不扣除：P-V值= 0.519,RMS值=0.

11、046（中心凹）。 .只扣除边缘3%即97%口径：P-V值= 0.478，RMS值 = 0.040。 4.2.4球面反射镜裸镜最终精密抛光结果球面反射镜裸镜最终精密抛光结果 检测时间： 20060515使用仪器：长光所应光室ZYGO干涉仪，1K*1K，使用500*500遮拦：中心去15%（50），边缘去3%（单边5mm）支撑：V型支撑有应力，后改为吊带罩塑料布平衡一宿。检测面形结果如下表：（单位：）PVRMS状况A面朝上0.3640.032去中心，去边缘0.5190.046完全不去0.4870.040仅去边缘B面朝上0.3300.035去中心，去边缘0.5590.049完全不去0.5360.0

12、45仅去边缘C面朝上0.4060.047去中心，去边缘0.6080.062完全不去0.5690.056仅去边缘4.3镀膜镀膜 我们根据过去镀金属银反射膜的经验，膜系采用四层： AL2O3+ AG + AL2O3 + SIO2 . 。镀后又对镜面进行了复测，干涉图如后附图所示。P-V值=0.126，RMS值=0.016，和镀前很接近。轻量化反射镜镀银膜反射率光谱曲线 Date 06/05/19 10:48 AM No. WL Data 1 900.00 98.22 2 880.00 99.26 3 860.00 98.99 4 840.00 98.65 5 820.00 98.78 6 800.

13、00 99.15 7 780.00 99.19 8 760.00 98.99 9 740.00 99.01 10 720.00 98.59 11 700.00 98.68 12 680.00 98.30 13 660.00 98.31 14 640.00 98.22 15 620.00 98.07 16 600.00 97.86 17 580.00 97.58 18 560.00 97.45 19 540.00 96.72 20 520.00 96.09 21 500.00 95.05第五章第五章 轻量化球面镜的检测轻量化球面镜的检测 5.1半径测半径测量 (1)用刀口仪钢皮尺测用刀口仪钢皮尺

14、测 R = 1919.4mm (2)用样板测量用样板测量 R = 1919.2mm (3)用三坐标仪测量用三坐标仪测量 R = 1919.127mm 5.2光学面形的检测光学面形的检测 经过各工序检测，达到设计要求，检测结果如下： 5.2检测方法、仪器与检测结果检测方法、仪器与检测结果 （1）外形尺寸及轻量化加工检测 用千分尺测量零件外形尺寸330-0.20, 315-0.1,厚度47。所有轻量化孔位置尺寸与孔径、孔深符合图纸要求，所有的孔无裂纹、崩边等缺陷。 (3)面形误差检测： 加工中主要用刀口仪检测面形误差。阴影图为均匀照明，没有明显的带，用读数显微镜观测星点像（针孔尺寸0.02）的弥散斑很圆，焦前焦后没有像散现象（参阅图）。 最终检测用刀口干涉仪测量面形误差，获得面形误差数据：P-V值=0.116,RMS值 =0.017。镀膜后复测P-V值=0.110,RMS值=0.020,没有明显变化 （3）镀膜检测： 在日本日立公司U-4001光谱仪上测量反射率光谱曲线，=500nm900nm,平均反射率R0.98。（以上检测的波前差的RMS值约为/60）。结结 论论 在这次毕业设计过程中，我学到了许多新知识，拓宽了视野，了解了国内外光学行业的发展情况，通过查阅资料知道了很多国内外新兴的前沿科学，也了解了国内光学和国外的差距，现