全口径环形抛光的光学元件面形误差影响因素及其控制

全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一,其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素,建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型,揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律;提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法,建立基于小工具的子口径修正方法,实现了抛光盘形状误差的在位定量修正;提出抛光盘表面钝化状态的监测方法,研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明:抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征,采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑;通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差,可显著提升元件的面形精度;随着抛光盘表面的逐渐钝化,元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100 mm平面元件的面形PV值优于λ/6(λ=632.8 nm),提升了元件的面形控制效率和精度。

光学元件全口径抛光中温度分布对元件面形的影响规律及其控制方法研究

大口径平面光学元件,尤其是热膨胀系数较大的材料,极易在全口径抛光中受到温度的影响导致面形精度难以控制。建立抛光过程中光学元件温度场的有限元模型,模拟分析全口径抛光过程中空气、抛光液对元件上下表面的温度分布的影响规律;基于接触力学理论和有限元方法建立光学元件与抛光盘的接触力学模型,分析元件变形对抛光压力分布的影响。基于Preston方程探索压力分布对元件表面材料去除分布和面形精度的影响规律;提出控制元件内温度分布、进而提高元件面形精度的方法。结果表明,对于610 mm口径的K9元件,低频面形PV可以达到0.2λ(1λ=0.6328μm)。

光学元件中高频PSD2误差的实验研究

光学元件的中高频误差一般采用功率谱密度(PSD)表示,其划分为PSD1和PSD2两个频段。针对目前国内外研究较少的PSD2频段误差,分析和实验研究了其潜在的影响因素。采用沥青和聚氨酯盘抛光熔石英元件的实验结果显示:小工具数控相比传统全口径抛光并未增大PSD2误差,而抛光盘材质对PSD2误差具有决定性的影响。沥青盘在抑制PSD2误差方向具有较好的优越性,工件表面的PSD2指标能够满足要求,而聚氨酯抛光元件表面的PSD2误差则较高。针对这一问题,提出采用固结金刚石丸片修整聚氨酯垫,通过细化金刚石颗粒获得了合格的PSD2指标。