为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工, 建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍, 并结合一块Ф1 290 mm ULE材料的非球面反射镜加工实例, 分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法, 实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1 mm。然后, 在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理, 主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS; 同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大, 进行了针对性去除, 面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后, 采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工, 反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS, 去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS, 该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径, 还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求, 提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段, 首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨, 其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛, 最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工; 在检测阶段, 首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制, 进入干涉仪测量范围后, 再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例, 对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测, 其面形精度RMS为0.015λ(λ=632.8 nm), 几何参数控制精度ΔR误差为0.1 mm、ΔK优于0.1%, 满足光学设计技术指标要求。

介绍了Ф420 mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化, 通过分工序加工方式, 依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时, 考虑透镜的凹面为球面, 利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测, 剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后, 透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS; 针对透镜的凸面为高次非球面, 采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测, 其精度达到0.013λ-RMS。最后, 采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测, 得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明, 非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.