大口径光学元件中频误差的形成机理及控制关键技术研究

Today, the precision engineering equipment and technology have experienced the breakthrough development. The large scale optical surface can be manufactured with the ultra smooth and high-form precision. But the remaining unsolved problem is that the computer controled polishing technique can result servious middle frequency error, which can infulence the performance of the optical devices. This projcet aims to solve the middle frequency error problem encountering in the advanced optical engineering field. Firstly, the mechanism of middle frequency error is studied in the computer controlled polishing of larger scale optical surface. Secondly, the technology for measuring and indentification the middle frequency error is explored. Then the evaluation technique is also presented. Thirdly, both the active control technology and feedback compensation technology are studied concerning the computer controlled polishing of large scale optical surfaces. Fourthly, a novle computer controlled polishing equipment, the 2-axial peripheral bonnet polishing machine, is presented and designed. The polishing technology is also researched and planned. Finally, the polishing experiment of large scale optical surface is conducted to verify the controlling strategy of middle frequency error. This research not only can rich the theory of computer controlled polishing, but also offer a feasible method to control the middle frequency error, which can imporve the precision level of large scale optical component.

当前光学元件的超精密加工装备与技术已取得了突破性的进展，已能加工出超光滑和高面形精度的大口径光学元件。但遗留的突出问题是：计算机控制抛光在大口径光学元件表面产生大量的中频误差，严重影响光学元件的光学性能与应用潜力。本课题为解决光学精密加工领域的中频误差问题，以实现大口径光学元件的高效和低中频误差加工为目标，首先研究大口径光学元件计算机控制抛光加工的中频误差形成机理；然后研究大口径光学元件中频误差的检测、识别与评价关键技术；再次研究大口径光学元件计算机控制抛光的主从和反馈补偿控制技术；最后研制新型的外圆型2轴计算机控制气囊抛光原理装置，规划抛光加工工艺，进行原理性抛光实验，检测和评价加工质量，验证中频误差的控制方法和软件技术。本研究不仅丰富了计算机控制抛光加工技术理论，且可为大口径光学元件的高效与低中频误差精密加工提供切实可行的理论支持和技术手段，显著提高光学元器件的精度水平。

本项目的研究目标针对计算机控制抛光易引起大口径光学元件中频误差的技术缺陷，开展光学元件曲面超精密抛光加工中频误差的控制技术研究，为大口径光学元件的高效与精密加工提供切实可行的理论基础和技术手段，根据上述目标，项目的研究计划要点分为四部分：.(1) 开展了光学材料去除及中频误差形成机理研究，建立计算机控制抛光大口径光学元件自由曲面的材料去除模型，对比了能动盘抛光、计算机数控小磨头抛光、气囊抛光三种常用抛光方法的中频误差修正特性；研究超精密抛光加工中频误差的形成机理，开展斜抛、进动抛、四步进动抛光等不同抛光形式的中频误差问题研究；建立了工艺参数与去除函数的关系，开展了不同抛光模式、不同形状去除函数中频误差影响研究。.(2) 开展了中频误差控制技术研究，分析现有计算机控制抛光加工路径对加工表面质量的影响，研究现有抛光路径与表面中频波纹特征的相互关系，针对不同抛光阶段提出新的抛光路径，主要包括迷宫路径、自适应皮亚诺路径、自适应光栅路径、自适应迷宫路径、等高线式路径，改进的Prim路径等，并研究各种新型路径对中频误差的抑制能力及其对磨削阶段残留中频误差的去除能力，研究结合计算机控制技术研究新型路径的可实现性，探讨中频误差控制的加工工艺。.(3) 开展了中频误差的检测与评价技术研究，研究自由光学曲面面形检测方法，借鉴经验模态分解和Wigner-Ville分布两类时频分析方法对光学表面检测数据进行信号处理，研究自由曲面面形重构和误差分离技术，实现各频段误差分解及中频误差特征提取，自动识别光学检测数据的中频误差频率及空间方位信息，实现光学表面误差的全波段评价。.(4) 进行了系统的实验验证，以课题组开发的五轴数控气囊抛光机床为基础实验条件，规划开展一系列大口径光学元件抛光实验，为中频误差影响因素分析、中频误差控制技术、中频误差评价方法等研究提供大量的基础实验数据。.本项目的研究成果为有效预防和控制大口径光学元件中频误差，实现大口径光学元件表面质量全波段控制提供系统理论支持，受项目资助发表期刊论文12篇（其中SCI收录5篇，EI收录5篇，中文核心期刊收录2篇），EI收录会议论文3篇，授权7项发明专利，授权3项软件著作权。