空间RB-SiC反射镜的表面离子辅助镀硅改性技术

针对空间用RB-SiC材料由Si\SiC两相结构引起的光学表面缺陷问题,提出了表面离子辅助沉积（IAD）硅膜的改性新方案以优化RB-SiC光学表面反射率。对厚度为10µm的IAD-Si改性层的主要性能研究显示：IAD-Si膜层为非结晶结构,能够提供较好的抛光表面,在77K-673K的热冲击下膜层稳定性良好。以Si膜的抛光机理为依据对IAD-Si改性层进行了大量抛光工艺实验和表面质量测试,给出了关键的抛光工艺参数和实验结果。通过表面IAD-Si改性及本文提出的改性层超精加工技术能够在反射镜表面得到面形精度的RMS值低于1/20λ(λ=632.8nm)且表面粗糙度的RMS值低于0.5nm的超光滑表面;与改性前相比,反射镜改性层抛光表面在360-1100 nm 波段的反射率提高了4.5%以上。     

高精度离轴凸非球面反射镜的加工及检测

为了提高离轴凸非球面反射镜的面形精度和光轴精度,研究了离轴凸非球面反射镜的加工与检测技术。首先,描述了离轴三反消像散(TMA)光学系统以及作为该光学系统次镜的离轴凸非球面反射镜的光学参数和技术指标。然后,介绍了非球面计算机控制光学表面成型(CCOS)技术及FSGJ非球面数控加工设备。最后,给出了非球面研磨阶段检测用的轮廓测量法和离轴凸非球面抛光阶段检测用的背部透射零位补偿检测法,并对背部透射零位补偿检测中离轴凸非球面反射镜光轴精度的控制技术进行了研究。检测结果表明:采用背部透射零位补偿检测法检测得到的离轴凸非球面反射镜的面形精度为0.017λ(均方根值,λ=0.632 8μm);用Leica经纬仪测量反射镜的光轴精度其结果达到9.4″,满足光学设计技术指标要求。     

应用SiC反射镜表面改性技术提高TMC光学系统信噪比

为了消除SiC反射镜的固有缺陷,提高反射式光学系统的信噪比,使用SiC表面改性技术对同轴三反射(TMC)光学系统的SiC反射镜进行了处理.首先,应用等离子体辅助沉积(PIAD)技术沉积了一层Si改性层,接着对改性层进行精密抛光,然后在反射镜表面镀制Ag膜和增强膜,最后获得了表面改性对TMC光学系统信噪比的影响.Wyko轮廓仪测试表明,SiC反射镜的粗糙度R_a由10.42 nm降低到了0.95 nm;镀制高反射膜后,主镜、次镜、三镜及折叠镜在0.5～0.8 μm可见光波段的反射率＞98%.计算结果表明,应用了表面改性技术后TMC反射式光学系统的信噪比提高了5%以上,说明SiC表面改性技术是一种提高TMC光学系统信噪比的有效方法.     

应用表面改性技术降低烧结碳化硅反射镜的表面散射

针对烧结碳化硅在制作过程中形成的孔洞缺陷会造成严重的反射镜表面散射问题,提出了用等离子体辅助沉积技术镀制硅表面改性层来消除表面缺陷以降低反射镜的表面散射。应用扫描电子显微镜测量了未改性的烧结碳化硅试片,并分析了表面散射成因。搭建了总积分散射仪,测试了改性前后的烧结碳化硅试片及抛光良好的K9玻璃试片的总积分散射。结果显示:烧结碳化硅试片改性前后的总积分散射分别为3.92%和1.42%,K9玻璃的总积分散射为1.36%。使用原子力显微镜测试了烧结碳化硅试片改性抛光后表面和K9试片表面的均方根粗糙度,结果分别为1.63nm和1.04nm,证明了改性后的烧结碳化硅试片消除了表面缺陷,显著地降低了表面散射,表面光学性能与抛光良好的K9玻璃接近。     

离子辅助制备碳化硅改性用硅膜的研究

本文介绍了一种利用霍尔型离子源辅助电子束蒸发，在碳化硅（Silicon Carbide: SiC）材料上制备硅改性薄膜的方法，研究了不同沉积速率下改性后的抛光效果。对样品进行了表面散射及反射的测量。通过样品的显微照片可知硅膜层在沉积速率增大条件下结构趋于疏松。通过精细抛光改性的反应烧结碳化硅（Reaction Bonded Silicon Carbide: RB-SiC）样品表面散射系数减小到1.46%，反射率接近抛光良好的微晶玻璃。温度冲击实验和表面拉力实验表明硅膜无龟裂和脱落，性质稳定，与碳化硅基底可以良好的结合。     

2m大口径RB-SiC反射镜的磁控溅射改性

为了消除RB-SiC反射镜直接抛光后表面存在的微观缺陷,降低抛光后表面的粗糙度,提高表面质量,针对大口径SiC的特性,选择Si作为改性材料,利用磁控溅射技术对2m量级RB-SiC基底进行了表面改性。在自主研发的Φ3.2m的磁控溅射镀膜机上进行基底镀膜,利用计算机控制光学成型法对SiC基底进行了抛光改性。实验结果表明,改性层厚度达到15μm;在直径2.04m范围内,膜层厚度均匀性优于±2.5%;表面粗糙度由直接抛光的5.64nm(RMS)降低到0.78nm。由此说明磁控溅射技术能够用于大口径RB-SiC基底的表面改性,并且改性后大口径RB-SiC的性能可以满足高质量光学系统的要求。     

反射镜用SiC陶瓷表面改性涂层的研究进展

综述了反射镜用SiC陶瓷表面改性涂层的研究现状,重点介绍了化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)制备SiC涂层和硅涂层的优缺点及制备机理,并讨论了SiC陶瓷光学部件表面改性今后的发展方向。     

Manufacture of SiC off-axis aspheric mirrors by double-swing method

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺.介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响.建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较.给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性.应用双摆动技术加工了一个224 mm× 108 mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633 nm).因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展.     

反应烧结碳化硅表面改性的初步研究

应用电子束蒸发硅,霍尔离子源电离甲烷,并辅助沉积的方法在反应烧结碳化硅(RB SiC)基底上沉积了碳化硅(SiC:H)改性薄膜.X射线衍射(XRD)测试表明制备的碳化硅改性薄膜为α相.通过控制沉积速率,制备了硬度为9.781～13.087GPa,弹性模量为89.344～123.413GPa的碳化硅改件薄膜.比较同样条件下镀制银膜的抛光良好微晶玻璃和经过精细抛光的改性 RB SiC,结果表明两者反射率相近;附着力实验表明,制备的薄膜和基底结合良好;在温度冲击实验下,制备的薄膜无龟裂和脱落.     

Ф124mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

介绍了碳化硅质光学镜面的光学加工流程和加工手段，分析了碳化硅光学镜面的光学加工过程各个步骤中所应用的磨料和加工方法。利用自主研制的非球面数控加工中心，探索一种新型轮式研磨抛光技术，解决了中小口径非球面元件的数控加工问题，形成比较规范的中小口径碳化硅非球面元件加工方法，并应用到Ф124mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工中，工件最终加工精度为第一面：0．761λ（PV）、0．059λ（RMS）（λ=0．6328μm）；第二面：0．834λ（PV）、0．089λ（RMS）（λ=0．6328μm），满足了设计要求。     

应用多模式组合加工技术修正大口径非球面环带误差

为了满足大口径非球面光学元件加工的需求,提出了用多模式组合加工(MCM)技术修正大口径非球面反射镜环带误差的方法。本文讨论的MCM技术以经典加工工艺为基础,采用抛光盘的多工位加工和抛光模式的组合完成光学元件的抛光,实现对光学表面中低频段误差的有效控制。介绍了MCM技术的重要组成部分JP-01抛光机械手的工作原理,分析了MCM的工作模式。采用MCM技术对Φ1230mm的非球面反射镜进行环带误差的修正,给出了镜面面形检测结果。实验结果表明,MCM技术可以有效地控制光学表面的中低频误差,使光学表面误差得到有效收敛,从而显著提高抛光效率。目前,采用MCM技术加工1～2m口径的同轴非球面,其精度可以达到30nm(RMS)。     

一种中小口径非球面元件数控抛光技术

基于自主设计研制的FSGJ-3型非球面数控加工中心,针对口径φ108 mm凸非球面透镜(曲率半径R＝318 mm,k=－3),研究了非球面粗抛光工艺、精抛光工艺、抛光设备、磨料以及相关工艺参数,提出了规范的中小口径非球面加工的工艺方法和新型轮式抛光技术,实现了中小口径非球面元件的数控快速精密铣磨成型,且保证了光学零件具有较高的面形精度。抛光后元件面形精度达到0.306 λ(PV)、0.028λ(RMS) (λ=0.632 8μm)。满足了在光学系统中使用非球面零件,明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件数目,从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统质量的目的。     

基于PZT非球面能动抛光盘的变形优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。一个口径100mm、含19个PZT驱动器的非球面能动抛光磨盘已经试制完毕,用于一个口径350mm、k＝－1.112155、顶点半径R=840mm双曲面镜的加工实验。为研究PZT压电陶瓷驱动器迟滞效应对非球面能动抛光盘输出面形的影响,实测各PZT压电陶瓷驱动器的电压位移特性曲线,用基于径向基函数的神经网络算法建立各PZT压电陶瓷驱动器位移输出特性的数学模型并实施补偿,实测各PZT压电陶瓷驱动器迟滞补偿前后的位移输出值。最后利用有限元分析方法,得到迟滞补偿前后非球面能动抛光盘的输出面形,以及剩余残差RMS相应分别为1.910um、0.342um。通过补偿各PZT压电陶瓷驱动器的迟滞效应,非球面能动抛光盘输出面形精度得到了提高,剩余残差RMS减少了82%。     

基于PZT的非球面能动抛光盘定位误差分析

摘要：变形抛光盘能够改变面型以用于非球面镜加工。基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光磨盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面型,为中小口径非球面镜加工提供了一种新的工具。非球面能动抛光磨盘在相对非球面工件移动时,根据位置,计算出每个PZT驱动器的变形量。因此定位误差会引起压电陶瓷驱动器的变形误差,从而造成输出的非球面面型误差。本文对定位误差进行了理论分析和计算,根据计算结果,定位误差应该限制在±0.5mm。     

随动压力分布下的非球面抛光去除函数

考虑去除函数对数控小工具抛光光学元件精度的影响,提出了如何根据需要加工的非球面参数以及抛光盘参数得到最优去除函数的方法。由于计算非球面上去除函数的核心是准确获得抛光盘与镜面间的动态压力分布,本文提出利用有限元法仿真抛光盘与非球面间的压力分布,并结合经典Preston方程与行星运动模型来得到非球面不同位置处的去除函数。基于随动压力分布模型,分析了沥青盘抛光非球面时在不同抛光位置处去除函数的变化。在曲率半径为1 000mm的球面上进行了去除函数验证实验。结果表明:基于本文理论得到的去除函线型更接近实际情况,皮尔逊系数达到了0.977。本文提出的方法可以方便地调整加工位置来得到相应的压力分布,实现去除函数的优化,对提高加工效率与精度有实际指导意义。     

回转对称非球面气囊抛光控制算法研究

介绍一种新型的非球面光学零件抛光方法———气囊抛光,这种方法可以得到高质量的光学表面。针对气囊抛光加工回转对称非球面的特点,进行抛光路径规划,对去除函数进行降维处理,提出抛光驻留时间的计算方法。最后,给出抛光算法的实现框图,并按照实现框图指导实际的玻璃非球面加工,取得满意结果,验证了算法的有效性。     

使用优化的固着磨料磨盘全口径加工碳化硅反射镜

为提高碳化硅非球面反射镜的加工质量,对加工中涉及的固着磨料工艺去除函数进行了研究。在早期的实验中测试了圆形丸片的去除函数,引入填充因子的概念来评价实验所获得的去除函数,定量获得了丸片结构与填充因子之间的关系。为了提高填充因子和磨盘的加工特性,根据圆形丸片的实验结果优化了磨头的结构并基于Matlab软件模拟了新型磨头的去除函数。在全口径范围考察了磨头工作的稳定性,并在相同加工参数条件下完成了固着磨料和散粒磨料的加工实验。为了对理论模拟和实验结果进行比较,引入结构相似度指数的概念来评价全口径反射镜去除量模拟结果与实验结果之间的相似程度。结果显示,实验得到的结构相似度指数达到了0.425 7,证明优化后的固着磨料磨头在大口径碳化硅反射镜加工方面极有应用前景。     

空间相机反射镜碳化硅材料性能测试

通过对SiC样件加工研磨及反射率等性质的测试,得到了材料的性能数据,分析了用SiC材料制备反射镜毛坯的几种方法的优缺点。采用Lanmda-9分光光度计,对SiC在不同表面镀硅、镀银、以及镀硅后再镀银的条件下进行了反射率测试,得出在镀硅再镀银条件下,反射率最高,达到98%的结果。利用Wyko干涉仪对国产SiC长条形样镜进行研磨分析测试,测得表面粗糙度值为6.27 nm。该材料在某型号离轴三反光学系统中作为反射镜得以应用和验证,测得被加工后,镜面面形PV值达到0.068 λ,RMS值为0.01 λ(λ=632.8 nm)。此结果表明,材料的性能达到了可加工可应用的要求。