大口径非球面系统的共基准加工与检验

摘要：针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点，提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法，对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10（λ=632.8 nm）时，对主镜和第三镜进行共基准装调和测试，并进行背板一体化装嵌，然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例，对一大口径非球面系统口径为724 mm×247 mm的非球面主镜和口径为632mm×205 mm的第三镜进行了共基准加工与检测，最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ，满足光学成像。

关键词：光学加工；光学检测；非球面；三镜消像散系统；共基准；离子束加工 

1 引言

在光学系统中，使用非球面可以矫正像差，改善像质，大幅提高光学系统的性能；同时可以简化系统，减轻系统的重量，降低系统的复杂程度，因此，非球面元件越来越多地被用于深空探测、光电跟踪、天文观测等诸多光电设备中[1-6]。尤其在空间光学领域，由于离轴三反消像散非球面系统(Three Mirror Astigmatism, TMA)具有组较少、长焦距、大视场、宽波段、调制传递函数高、抑制杂光能力强等优异特性，大口径非球面元件在空间遥感中得到了广泛的应用。

离轴三反非球面系统一般先进行单个镜体的加工与检测，待所有组件满足设计要求时方可进行整个系统的装调与检验。每个单镜个体有各自的几何量加工误差，包含顶点曲率半径误差、离轴量误差和镜体左右位置偏差等，在进行系统装调时需要对组件支撑背板和框架机构进行反复修正及多次迭代收敛，才能完成整个系统的装调，装调过程繁杂，而且主镜和第三镜的加工误差时常不匹配，整个光学系统很难达到很好的成像效果。

本文提出了一种将离轴三反系统主镜和第三镜进行共基准加工和检测的方法，即在最后抛光阶段对主镜和第三镜进行背板一体化装调，采用同光轴共基准光学检测，并对主镜和第三镜进行共基准一体化离子束精抛光，最终使得主镜和第三镜面形误差满足设计要求。

2 基本原理

离轴三反非球面系统光路如图 1所示，即入射光线经过离轴非球面主镜后进行第一次反射，反射光束入射到次镜(一般为同轴非球面)后进行第二次反射，第二次反射后的光束入射到离轴第三镜进行第三次反射，反射后的光束经平面调焦镜转折后入射到CCD焦面上成像。在该系统中，主镜和第三镜均为离轴非球面，次镜一般为回转对称的同轴非球面镜，光轴位于次镜的几何中心，主镜和第三镜的光轴是统一的。

图1.离轴三反非球面光学系统光路图

为了使主镜和第三镜的加工误差配合得足够好，确保主镜与第三镜的位置相对于光轴保持一致，减少后续整个光学系统的装调工作量，本文对主镜和第三镜进行了背板一体化设计，并进行共基准检测与加工，其基本原理如图 2所示，具体实现流程如图3所示。

图2.主镜和第三镜共基准检测原理及示意图

首先对光学系统的主镜和第三镜进行铣磨、研磨和粗抛光加工，当主镜和第三镜全口径面形的PV值优于2 μm时，对它们进行零位补偿干涉测量，根据检测结果利用计算机光学表面成形(Computer-Controlled Optical Surfacing, CCOS)技术对非球面进行多次加工，直至主镜和第三镜面形的RMS值都优于λ/10，检测过程中利用莱卡经纬仪进行精确测量和控制，修研使主镜和第三镜补偿器的中心在一条直线上，即主镜和第三镜共光轴；其次，将主镜固定在背板上(背板主镜和第三镜一体化公用)，利用激光跟踪仪精确控制并调整干涉仪、主镜补偿器和主反射镜之间的相对位置关系，利用零位补偿光学检测对主镜进行干涉测量，并确定主镜补偿器的位置；固定主反射镜、干涉仪以及主镜和第三镜补偿器调整机构，移去主镜补偿器，在光路中安装第三镜补偿器，通过精确修正第三镜支撑面和一体化背板上第三镜的连接面，使得第三镜较好地完成零位补偿光学检验。非球面主镜和第三镜在加工过程中采用共基准检测方法，确保主镜与第三镜的位置相对于光轴保持一致，从而确保加工完成后主镜和第三镜在系统中的位置，系统装调时只剩下次镜这一个环节，大大提高了装调的精度和效率。

共基准检测后的主镜和第三镜要进行背板一体化固定和装嵌，然后进行共基准一体化离子束精抛光加工。离子束抛光技术(Ion Beam Figuring, IBF)是一种高精度的确定性加工技术, 利用该技术加工非球面的原理如图 4所示。该技术在真空状态下用离子束对光学表面特定区域进行轰击，通过离子束与光学元件表面材料的物理溅射作用来实现对非球面表面材料的分子级去除, 经过精确控制离子束的能量密度和加工驻留时间，实现超高精度的非球面光学表面面形加工。离子束抛光机的基本原理属于子孔径加工技术，其基本控制算法与CCOS类似，该技术根据定量的面形测量结果，即主镜和第三镜的共基准检测结果，由计算机控制离子束，按照一定的加工轨迹对主镜和第三镜进行一体化共基准加工，经多次共基准检测和加工迭代直到主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/50，从而完成加工。

图4.非球面离子束加工原理图

离子束共基准加工示意图如图 5所示。首先，根据共基准干涉测定的主镜和第三镜的面形分布综合分析选择合适口径的离子束源，规划合理的加工轨迹并计算驻留时间。然后，利用离子束在同一加工周期内依次对主镜和第三镜进行精密抛光，对一体化共基准加工后的主镜和第三镜进行共基准检测，经过多轮共基准检测与加工，直至主镜和第三镜面形误差满足精度要求。在加工过程中，离子束的去除函数非常稳定，无需修正去除函数，可以实现对镜面分子级的精确去除，且加工应力很小，基本不会引起主镜和第三镜一体化位置的变化。

图5.离子束共基准加工轨迹示意图

3 实验加工与检测

结合工程实践，这里对一大口径离轴三反非球面系统进行了共基准加工与检测。该系统的主镜为724 mm×247 mm的圆角矩形，它为高次离轴双曲面，第三镜为632 mm×205 mm的圆角矩形，离轴量为221.35 mm。首先运用CCOS技术在实验室自行研制的非球面数控光学加工中心FSGJ-2上对光学系统的主镜和第三镜进行小磨头研磨和粗抛光加工，加工设备如图 6所示。

图6.FSGJ-2非球面数控加工中心上第三反射镜装置的加工

FSGJ-2非球面数控加工中心是一台基于CCOS，集研磨、抛光以及研磨阶段的在线轮廓检测于一体的6轴联动非球面自动数控机床，其加工非球面的最大尺寸为1 000 mm。CCOS技术根据定量的面形测量结果，在加工过程控制模型的基础上，用计算机控制尺寸相对较小的磨头对光学非球面进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留时间及磨头与工件间的相对压力来控制材料的去除量，按照一定的加工轨迹对光学表面进行数控加工，经多次迭代直到满足精度要求。期间利用轮廓仪或三坐标测量仪对其面形进行精确测量，根据设计要求，当全口径面形PV值优于2 μm时，对其进行干涉补偿测量，依据测定结果利用CCOS技术对非球面进行多次加工，直至主镜和第三镜面形的RMS值都优于λ/10。然后对其进行共基准装调和检测，主镜和第三镜共基准检测光路及设备如图 7所示，共基准装调完毕零位补偿测量得到主镜和第三镜的面形分布和干涉图，分别如图 8和图 9所示，其面形的RMS值分别为0.070λ和0.063λ，满足共基准检测和加工的要求。

图7.主镜和第三镜共基准检测设备

图8.离子束抛光前主反射镜的面形测量结果

图9.离子束抛光前第三反射镜的面形测量结果

将主镜和第三镜一体化装嵌后，利用离子束对其进行两个周期的超精抛光加工，得到最终的主镜和第三镜的面形检测结果分别如图 10和图 11所示，其中主镜面形的RMS值为0.019λ，第三镜面形的RMS值为0.017λ，面形误差RMS值均优于λ/50，满足设计要求。

图10.主反射镜最终面形测量结果

图11.第三反射镜最终面形测量结果

4 结论

为了克服大口径非球面光学系统加工与测试的难题，本文提出了离轴非球面系统共基准加工与检测的方法，对该方法的基本原理进行了分析和研究，并对其具体的实现步骤进行了规划。结合工程实践，首先利用实验室自行研制的非球面数控光学加工中心FSGJ-2对一大口径离轴非球面系统的主镜和第三镜进行了CCOS研磨和粗抛光，当其面形的RMS值都优于λ/10时，对主镜和第三镜进行共基准装调和测量，并进行背板一体化装嵌，然后利用离子束进行一体化共基准超精加工，最终得到主镜和第三镜面形的RMS值均优于λ/50。该方法保证了反射镜加工检验过程与相机装调过程的基准共享，极大地缩短了光学系统的后续装调时间，提高了装调的精度及效率，且利用离子束进行一体化精抛光，去除函数稳定、确定性高、加工应力很小。

（本文来自《光学精密工程》 2018，26(4): 743-748.）