大口径非球面镜的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种大口径非球面镜的制造方法，包括下列步骤：（１）按非球面度梯度法计算出最接近球面，并按最接近球面半径，加工完成超薄球面镜；（２）按非球面度梯度变化率法得到致动器排布初始方案，经过优化得到致动器排布的最终解和每个致动器的强制位移量；（３）加工完成致动器组件；（４）将加工完成的超薄球面镜安放到致动器组件上，通过调节致动器位移量，使超薄球面镜达到设计的最接近球面半径值和面形精度；（５）根据步骤（２）得到的每个致动器的强制位移量，调节位移致动器，使球面镜变形成所需的非球面面形，即获得所需的大口径非球面。本发明专利技术避开了大口径非球面镜加工和检测难题，极大地降低了加工和检测的难度，缩短了制造周期，降低了制造成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非球面的制造方法，尤其是， 特别适合于使用大口径非球面镜的光学领域。
技术介绍
在空间光学的诸多领域，广泛地使用着大口径非球面主反射镜。为了达到 尽可能高的地面分辨率，加大反射镜的口径是最重要的途径。但随着口径的增 大，主镜的自重急剧增加，并由此带来一系列的技术难题。因此，主镜的轻量 化问题历来为人们所重视。随着主动光学技术的发展，利用主动光学进行面形 控制的超薄非球面主镜应运而生。这种反射镜的厚度在几个毫米左右，有效口 径在1米以上。它的设计思想是在地面有致动器进行支撑的情况下先加工好一 块合格的超薄非球面镜，当镜子发射上天后，通过改变致动器的加载量，校正 由于重力消失，或是温度变化等因素带来的面形的变化，使其仍然保持合格的 面形。众所周知，非球面的加工和检测是非常困难的，尤其是大口径离轴非球面 镜的加工和检测。尽管发展了很多非球面加工机械，但真正实用且成本可以接 受的寥寥无几，特别是抛光一道工序还停留在手工阶段。非球面检测的难度也 是显而易见的。如今使用干涉仪检验非球面镜是主流，那么设计和制造髙精度 的补偿器是必不可少的工作。补偿器的精度要求很高，所以它的制造本身就是 非常困难的。因此大口径非球面镜的制造，总是周期很长，费用很髙。因此， 寻求一种新的非球面镜的制造方法，以缩短制造周期，降低制造费用，是非球 面加工领域研究的一个焦点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，以解决大口径非球 面镜加工和检测难题，缩短制造周期，降低制造费用。为达到上述目的，本专利技术釆用的技术方案是 一种大口径非球面镜的制造 方法，包括下列步骤(1) 根据所需的非球面面形，按非球面度梯度法计算出最接近球面，并按最 接近球面半径，加工完成超薄球面镜；(2) 按非球面度梯度变化率法得到致动器排布初始方案，经过优化得到致动 器排布的最终解和每个致动器的强制位移量；(3) 加工完成致动器组件；(4) 将加工完成的超薄球面镜安放到致动器组件上，通过调节致动器位移 量，使超薄球面镜达到设计的最接近球面半径值和面形精度；(5) 根据步骤(2)得到的每个致动器的强制位移量，调节位移致动器，使球面 镜变形成所需的非球面面形，即获得所需的大口径非球面。上述技术方案中，变形所用的超薄球面镜厚度在1 4毫米，口径大于等 于0,5米。上述技术方案中，变形所用的球面为所需非球面的最接近球面。计算最接 近球面的目标函数是以最接近球面与所需非球面的非球面度梯度最大值最小， 即采用最接近球面各点与所需非球面的矢髙差对两个径向坐标求导的平方和 的最大值为最小的原则。目标函数用以下公式表示<formula>formula see original document page 4</formula>式中^表示最接近球面的矢髙，、表示所需非球面的矢髙，7和z表示与镜面光轴垂直的两个方向，~—^表示非球面度，D表示镜面的口径。"*的表 达式由以下公式表示其中a、 b分别为球心在x轴和y轴上的坐标，R为待求的最接近球面半径。根据目标函数，用最优化方法找出满足要求的最接近球面的半径R、球心 位置b (球心位置a不影响非球面度梯度值)。在求出半径R和球心位置b后用最小二乘法得到球心位置a。用非球面度梯度法所获最接近球面在变形为非球面后镜面最大应力更小， 且更有利于面形残差的校正。上述技术方案中，变形所用的球面镜的面形误差不得低于所需成形的非球 面的面形精度要求。上述技术方案中，镜面除边界的大部分区域的致动器初始排布采用非球面 度梯度变化率法获得。非球面度梯度变化率法就是按最接近球面与所需非球面 的非球面度梯度变化率越大，致动器面密度越大的思想，预先排好致动器的位 置，求出致动器排布的初始解。当非球面度梯度等髙线之间增量相等时，就可 以从等髙线图上反映出非球面度梯度变化率的大小。在等增量的梯度线上进行 布点，就实现了非球面度梯度变化率法。计算非球面度梯度的公式如下所示非球面度梯度变化率法与其它致动器排布方法相比，在致动器个数相同 时，对面形的校正能力最强，在满足面形精度的前提下致动器个数最少，因此 减轻了系统重量，降低了制造和发射成本。优选的技术方案，镜面边界部分的致动器排布根据边界形状采用均匀排布。镜面边界部分采用均匀排布，可以增加致动器的间距。致动器排布间距大， 有利于致动器结构设计以及整个支撑系统的结构设计。上述技术技术方案中，致动器排布的优化步骤包括调整梯度增量和梯度线 上致动器横向间隔、修正致动器强制位移量、调整边界致动器排布、去除镜面 部分边界不参予面形拟合、根据有限元分析结果去除部分单点约束力过小的致 动器等。致动器排布的优化步骤可以起到减小面形残余误差、减少致动器个数和增 加致动器间隔的作用。为了便于在地面的检测，致动器排布的最优化方案应能同时满足失重和一 种地面放置方式(水平放置或竖直放置)下对面形的校正，符合非球面面形精 度的要求。上述技术方案中，致动器使球面镜变形为非球面镜而对镜面施加位移的大小由两部分决定， 一是最接近球面与所需非球面的矢髙差，二是优化时对位移 进行的修正量。上述技术方案中，强制变形后镜面的应力最大值应小于或等于球面镜材料 的许用应力。强制变形后镜面的应力最大值小于或等于球面镜材料的许用应力，材料不 会破裂。本专利技术的主要构思是大口径非球面镜，特别是大口径离轴非球面镜的加 工和检测一直是光学制造业的难点，使用本专利技术可以避开上述难点，縮短制造 周期，降低制造成本。同时，超薄镜的使用，既充分利用了它易于变形的特点 来达到强制变形的目的，又可以减轻系统重量，减轻对系统温度稳定性的要求。 另外，应用主动光学技术里的致动器除了能够保证非球面面形，还能够校正因 各种因素造成的镜面面形的变化。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点1. 由于本专利技术采用大口径超薄球面镜的制造来代替大口径超薄非球面镜 的制造，避开了大口径非球面镜加工和检测难题，极大地降低了加工和检测的 难度，缩短了制造周期，降低了制造成本，用球面镜的制造代替非球面镜的制 造，具有极大的创造性。2. 由于本专利技术采用超薄镜进行变形，既充分利用了超薄镜易于变形的特 点，也减轻了系统重量和对系统温度稳定性的要求，3. 由于本专利技术采用了主动光学技术里的致动器有规律的分布和作用于超 薄球面镜背后，不仅使球面改变成所需的非球面，达到面形精度要求，也能够 调节因各种因素造成的镜面面形的变化。4. 本专利技术的，适合于任何形状、任何区域(共 轴或离轴)非球面的制造，可以根据非球面面形要求达到不同的面形精度。5. 由于本专利技术采用了非球面度梯度法求最接近球面，使所获最接近球面 在变形为非球面后镜面最大应力更小，且更有利于面形残差的校正。6. 由于本专利技术釆用了非球面度梯度变化率法求解中心区域致动器排布的 初始解，使排布方案对面形的校正能力最强，致动器个数最少，减轻了系统重 量，降低了制造和发射成本。 附图说明附图l为大口径超薄非球面成形的示意图。附图2为致动器按正方形均勾排布的示意图。附图3为超薄球面镜外形尺寸示意图。附图4为非球面度梯度等高线图。附图5为按图4得到的致动器排布初始解。附图6为图5排布下得到的面形残余误差图。附图7为在图5基础上得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大口径非球面镜的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：　（１）根据所需的非球面面形，按非球面度梯度法计算出最接近球面，并按最接近球面半径，加工完成超薄球面镜；　（２）按非球面度梯度变化率法得到致动器排布初始方案，经过优化得到致动器排布的最终解和每个致动器的强制位移量；　（３）加工完成致动器组件；　（４）将加工完成的超薄球面镜安放到致动器组件上，通过调节致动器位移量，使超薄球面镜达到设计的最接近球面半径值和面形精度；　（５）根据步骤（２）得到的每个致动器的强制位移量，调节位移致动器，使球面镜变形成所需的非球面面形，即获得所需的大口径非球面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾春梅，余景池，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]