计算机控制光学表面成型技术

计算机控制光学表面成型技术综述摘要:介绍了计算机控制光学表面成型技术的原理基础,目前的进展及其将来的趋势。主要介绍美国、法国、俄罗斯的科学家在这项技术上的成果,也简单介绍了我国在这一领域的研究工作。最后提出了目前还存在的问题。一、非球面元件的特色及应用非球面是指除球面和平面以外的所有光学表面,在光学系统中应用非球面元件可以使复杂的结构变得简单,它们可以有效地消除像差,提高系统的成像质量。由于系统的尺寸及重量减少,稳定性提高,成本降低。这就使得光学设计人员越来越多地考虑在光学系统中采用非球面元件来取代球面元件。以星载成像光学系统为例,采用非球面可以使系统的重量降低20～30%。而对于这类系统来说,重量每减轻1kg,其发射成本相应降低5万元人民币,经济效益相当可观。虽然如此,但非球面自身的几何特点使得其加工与检测难度要大大高于球面。对于非球面来说,表面各点的曲率半径不同,范成法原理不再适用。而且,非球面的检测也需要专门的辅助设备,如补偿器等。这些问题都大大地增加了非球面元件的制造难度,同时也限制了非球面在高质量成像系统中的应用。二、常用的非球面加工方法简介对于非球面的加工,有两种基本方法:一种是采用单点金刚石切削技术,在高精度的金刚石车床上直接切削出非球面,面型精度可达0.3～0.5μm(P-V),表面粗糙度可达60～100nm(rms)。但该方法只适合于加工非脆性材料,对于光学系统中常用的光学玻璃则无法加工。为解决脆性材料的加工问题,美国的UnionCabridge等公司在80年代中后期研制了与单点金刚石车床具有同等精度的金刚石磨床,能够对光学玻璃,光学晶体等脆性材料进行磨削加工,面型精度可达0.3～0.5μm(P-V)。比较有代表性的是美国的几家公司与Rochester和Arizona大学共同研制的两代自动光学加工机床OpticamSM和OpticamSX,5min内可加工出面型精度达1μm(P-V),直径为50mm的玻璃非球面元件。但这类机床只能加工中等尺寸以下的非球面元件,而且存在下表面破坏层等缺陷,需要后续抛光处理。另一种是传统的手工加工方法,它主要依靠技师的经验。除上述两种基本方法外,还有一些其它非球面的加工方法。如光学玻璃模压成型技术、光学塑料的成型技术、环氧树脂复制技术等,但这些方法仍需要解决非球面模芯的制造问题。以上方法的加工精度及其适用范围如表1所示。随着空间科学技术的飞速发展,近年来对于空间光学系统中非球面元件的口径要求越来越大(4m以上),精度要求也越来越高[面型精度优于1/40λ(rms),λ=632.8nm,表面粗糙度小于2nm]。因此,适用于中等尺寸以上的玻璃材料非球面元件的高效、低耗、精密的加工方法已经成为国际光学加工界所追求的目标。本文所讨论的计算机控制光学表面成型技术(ComputerControlledOpticalSurfacing,简称CCOS)就是针对这类元件的加工而提出的。三、计算机控制光学表面成型技术(CCOS)1.CCOS技术简介表1常用非球面加工方法的精度及其适用范围加工方法加工精度(P-V/μm)适用范围备注手工加工0.1各种类型非球面元件劳动强度大单点金钢石切削0.5有色金属及少数晶体主要为反射面金刚石磨削0.5光学玻璃等脆性材料需后序抛光处理光学玻璃模压成型0.3小型非球面元件需精密磨具塑料注塑成型0.5小型非球面元件需精密磨具环氧树脂复制0.25中、小型非球面元件需精密磨具CCOS技术的思想是由美国Itek公司的W.J.Rupp在70年代初期最先提出的。其基本原理如图1所示。它根据定量的面型检测数据,建立加工过程的控制模型,用计算机控制一个小磨头对光学零件进行研磨或抛光,通过控制磨头在工件表面的驻留时间及相对压力来控制材料的去除量。同时利用计算机执行速度快、记忆准确等优势使加工的重复精度及效率大幅度提高。特别对于一些传统方法难于加工的大口径、离轴非球面光学元件来说是最佳选择。图1CCOS加工非球面示意图2.CCOS技术的进展情况及其发展趋势CCOS技术问世以来,世界上以美国为首的一些发达国家相继投入了大量的人力、物力和财力进行了深入研究。比较有代表性的有美国Arizona大学光学中心(OSC)、Rochester大学光学制造中心(COM)、Itek公司、Tinsley公司、Lawrence-Livermore国家实验室、法国的空间光学制造中心、俄罗斯的瓦维洛夫国家光学研究所等。CCOS技术的发展过程是随着计算机、精密测量、新工艺新材料等综合技术的发展而不断自我完善的过程。70年代初至80年代中前期,CCOS技术尚处于初始阶段。当时由于受计算机技术及精密测量技术发展的制约,CCOS还没有做到完全实用化。这期间Itek公司的R.A.Jones在CCOS的计算机模拟及加工设备的优化方面做了大量工作。设计完成了世界上第一台计算机控制抛光机,为美国空军加工出一块H500mm,F/3.5的抛物面反射镜,面型精度为0.04μm(rms),表面粗糙度小于5nm,总加工周期为3个月。R.A.Jones在Aspden提出的CCOS数学模型基础上,提出了用卷积迭代算法计算磨头驻留函数的模型,这一模型在以后的十几年中一直是CCOS技术最重要的理论依据之一。最近,人们发现该模型虽然能够控制面型误差收敛,但效果不如预计的那样好,需要进一步完善。R.A.Jones对不同运动方式磨头的加工效果进行了大量研究,提出了CCOS过程中面型误差的收敛条件是磨头的工作函数曲线趋于高斯分布。要产生这样的工作曲线,磨头在自转的同时还要绕某一有一定偏心量的回转轴做公转运动。这样的运动方式直到目前为止仍为CCOS设备所广泛采用。Arizona大学光学中心的R.E.Wagner和R.R.Shannon等人深入研究了CCOS用于非球面加工时材料去除量的数学模型以及研磨阶段材料的去除机理,给出了研磨阶段计算Preston方程中比例常数K的经验公式,这一公式为确定CCOS研磨阶段不同材料的相对去除量提供了指导,也为进一步建立CCOS数据库奠定了基础。到了80年代中后期,随着计算机及精密计量技术的飞速发展,CCOS技术也得到了进一步的完善。Itek公司对其9台CCOS设备的数控单元进行了改造,采用了直流伺服加位置反馈控制技术,其前台操作采用VAX-Ⅱ小型机连网管理并配有CAD系统的接口。经改造后CCOS过程的计算速度及精度都得到了大幅度提高。从长远观点来看,Itek公司此举的目的是要把CCOS发展成为CAD/CAM一体化、非专家可操作的先进光学制造系统。但到目前为止,这一目标还没有实现,其最大障碍是由于光学加工工艺的复杂性,使得建立准确、全面描述加工过程的数学模型变得异常困难。Lawrence-Livermore国家实验室的N.J.Brown对光学表面的研磨和抛光机理进行了深入研究,证明了在一定条件下脆性材料的去除过程中存在脆-韧转变现象,并给出了转变的工艺条件,这非常有利于提高脆性材料加工后的表面质量。这期间法国和俄罗期也相继研制出了各自的CCOS设备,REOSC空间光学制造中心的计算机控制抛光机加工非球面的最大口径达2m,精度为1/15λ(rms)。瓦维洛夫国家光学研究所的AD-1000型计算机控制抛光机的加工精度也达到了1/18λ(rms)。先进的光学加工离不开先进的检测技术,CCOS技术优越于传统手工加工的重要标志就是它有定量的检测结果作为指导。在非球面定量测量方面,Arizona大学的JamesHowardBurge等人做了比较系统的研究工作。Burge在他的博士论文中详细论述了天文望远镜非球面主镜的各种检测方法,特别提到了非球面的补偿检验方法,它特别适用于加工过程中的检验,对于3.5m,F/1.75的WIYN双曲面主反射镜,其测量误差小于5.1nm(rms)。图2为补偿检验法的原理图。图2补偿检验法的原理图除了要控制面型精度外,还要控制顶点曲率半径R及偏心率K的偏差。JamesHowardBurge提出在研磨阶段用扫描细光束测量仪作为检测手段,可以控制R及K的偏差使其分别小于1/1000和5/10000。Lowrence-Livemore国家实验室的研究人员在对用于激光核聚变装置当中的非球面元件进行检验时发现,表面上的中频及高频误差的存在会产生散射从而降低装置的性能。而这类误差用传统的光学表面质量评价方法如P-V值或RMS值很难反映出来。他们提出了评价光学元件表面质量的新方法,即用功率谱密度(PowerSpectraDensity,PSD)来确定不同频段误差的含量,提高了传统仪器的分辨能力,使得表面质量的评价更加全面。但到目前为止,还没有发现将该方法应用于CCOS加工的有关报道。同时,美国的两家光学检测仪器制造公司Zygo和Wyko也在不断地推出其新产品。Zygo的新型数字波面干涉仪可测量的最大口径可达32英寸,精度为1/20λ(P-V)Wyko公司的RST表面粗糙度测量仪其纵向分辨率小于0.1nm,横向分辨率小于0.4nm。进入90年代以后,CCOS技术在不断完善的同时,已开始进入实用化阶段。Itek公司在1990～1992年期间开发出了真空自励磨头(VacuumActivatedTools),解决了大尺寸超薄光学元件的加工问题。在CCOS设备上加工直径为2m,厚度为1.7cm的离轴抛物面,最终精度为0.034μm(rms),表面粗糙度小于1nm,加工周期为5个月。Arizona大学的D.Anderson等人利用该技术加工出了直径为3.5m,F/1.75的WIYN望远镜的双曲面主镜,最终的面型精度为0.02μm(rms),表面粗糙度小于1nm。整个加工过程分为铣磨成型、研磨及抛光三个阶段,每个阶段都有定量的检测手段指导CCOS加工。其中在研磨阶段应用了红外(IR)数字波面干涉仪,可以控制面型误差小于0.5μm(rms)。Rochester大学光学制造中心的DonaldGolini和StephenJacobs在CCOS研磨过程的优化方面做了大量工作,提出了微量磨削技术(Micro-grinding),即在细磨工序和抛光工序之间增加微量磨削过程,它采用精细的散粒金刚石磨料对工件进行研磨,在短时间内使研磨阶段的面型误差下降到0.4μm(rms)以下,下表面破坏层深度(Sub-surfaceDamageLayer,SSD)小于2μm。增加微量磨削工序后面型误差的收敛效率大大提高了。研磨阶段面型误差的收敛效率是影响整个CCOS加工效率的关键因素之一,因此该阶段工艺过程的优化一直是研究人员普遍关注的,例如Itek公司等著名的光学加工单位都相继报道过他们在CCOS研磨阶段所取得的进展,但涉及到具体的工艺细节都是严格保密的。在本文的研究工作中,我们发现CCOS研磨阶段面型误差的收敛效率不仅与工艺参数的选择有关,而且还与检测及数据处理方法有关。我们改变了该阶段数据处理通常采用的Zernike拟合模型,提出了新的局部线性插值模型,并给出了优化后的工艺规范。采用新模型后CCOS研磨阶段的效率及精度都有明显提高。对于大口径光学元件,由于支撑及重力变形的影响也会带来误差。因此要求加工及检测时的支撑方式与工件的使用状态保持一致,同时在数据处理上要采取有效措施将这类误差从检测结果当中分离出去。在这方面Contraves公司的W.ScottSmith做了大量工作,给出了8m级Subaru主镜加工及检测时的多点液压支撑方案,有效地解决了主镜加工过程中支撑变形所带来的影响。1994年,Tinsley公司与Itek、Eastern-Kodak等公司合作,利用CCOS技术完成了对哈勃望远镜主镜的修复工作,加工出的非球面校正镜修正了主镜制造过程中的误差,提高了成像质量。这项工作代表了当今CCOS技术的最高水平。Itek公司光学系统部负责人JerroldZimmerman在SPIE“先进光学制造技术”国际会议上做的特邀报告中,他指出这项技术正在朝CAD/CAM一体化方向发民菜,它将变得更加高效、低耗和非专家可操作,预计在下一世纪将完全取代手工加工而成为大口径脆性材料非球面元件的主要加工手段。同时,Tinsley在其合作开发的X光光刻项目中也把CCOS列为高精度非球面元件加工的核心技术之一。所以从这种意义上来讲,高精度非球面元件的自动加工能力已经成为衡量一个国家应用光学水平的重要标志。我国非球面的加工能力与发达国家相比有较大差距,长期以来一直以手工加工为主,精度及效率均不能满足日益增长的非球面需求量的要求。近年来北京理工大学、浙江大学和紫金山天文台相继开展了计算机控制光学表面抛光技术的研究,但大多处于原理性实验阶段,由于各种原因而难以为继。长春光机所应光室在科学院“八五”重点课题“超光滑非球面自动加工及在线检测”课题的支持下,于1992年研制了国内首台实用的数控非球面光学加工中心FSGJ-1,它集铣磨成型、磨边、精磨抛光和检测于一体,加工最大加工直径800mm,面型误差小于30nm(rms),表面粗糙度小于2nm。研制的目的是要解决国家重点空间项目中非球面镜的加工难题,为非球面在高质量成像系统当中的应用提供技术储备。项目完成后我们先后开展了大量的工艺实验研究,在边缘误差控制、研磨阶段表面