为了实现大口径非球面镜的加工,设计制作了三角机加工中心,该加工中心具有三工位设计。基于该加工中心提出了一套非球面镜加工模型,每个工位只需利用两个转动轴即可实现大口径非球面镜的遍历加工,同时加工工位与检测工位可以互换,节约成本的同时提升加工效率。为了验证加工模型的可行性,结合工程实例,利用该加工中心对一口径为1 450 mm的离轴抛物面SiC反射镜进行了加工,实验结果表明,经过一轮迭代加工后,反射镜面形结果由PV 4.653 μm、RMS 0.409 7 μm收敛到PV 3.585 μm、RMS 0.258 1 μm, RMS收敛达37%。验证了模型的精度及可行性。

针对非球面反射镜在抛光初期干涉仪不能全口径检测面形误差的问题,提出一种三坐标测 量机(CMM)和数字干涉仪组合测量以实现全口径波前复原的方法。将CMM与干涉仪测量数据组合, 即面形误差以干涉测量为主,干涉检测不能复原的局部波前采用CMM测量数据进行精细重构,从 而获得可用于数字化加工的全口径面形误差,并最终达到非球面镜全口径干涉检测。采用该方 法对Φ为540 mm的离轴非球面反射镜在精磨后期进行数据组合补偿,成功实现了反射镜从精磨阶段 到抛光阶段的全口径波前检测,从而证明了该方法对实现非球面镜全口径检测有效可行。

研究了空间遥感器用大口径SiC离轴非球面的超声复合磨削加工工艺。分别对磨削原理、金刚石砂轮结合剂选择、机床选取、磨削参数设定等进行了分析,并设计和规划了磨削工艺流程。基于逆向工程原理建立了高精度离轴非球面模型,创立了激光跟踪仪精磨阶段在线测量大口径离轴非球面的工艺。结合工程实践对一口径为700 mm×700 mm的SiC高次离轴非球面元件进行了逆向工程建模和超声磨削加工试验,并利用激光跟踪仪进行了在线检测。经过3个周期(每个周期4 h)的修磨,其面形精度PV值和RMS值分别由45.986 μm和7.949 μm收敛至12.181 μm和2.131 μm;与三坐标测试结果进行对比,其PV值和RMS值的偏差分别为0.892 3 μm和0.312 8 μm。实验显示,提出的磨削工艺实现了大口径SiC离轴非球面的快速精确磨削,其加工精度、效率以及表面质量都有了很大的提高。

研究了三轴离子束系统抛光大口径高陡度离轴非球面过程中镜面曲率变化对离子束抛光去除函数的影响。提出了利用修正矩阵修正各驻留点处的去除函数信息, 进而实现对高陡度离轴非球面高精度抛光的方法。该方法通过对离轴非球面进行坐标转换来降低陡度变化对去除函数的影响; 基于Sigmund溅射理论分析离子束抛光非球面材料的去除率, 建立离子束抛光非球面去除函数模型, 计算了材料去除率在非球面各驻留点处的变化。最后, 根据投影原理计算在各驻留点处去除函数的半宽, 得到以驻留点矩阵为基础的去除函数修正矩阵, 从而掌握每一个驻留点处的去除函数信息, 然后根据计算机控制光学表面成形(CCOS)原理解得加工驻留时间分布。选取口径为900 mm×680 mm, 离轴量为350 mm 的离轴体育场型非球面镜进行了抛光实验, 实验显示抛光后非球面镜面形精度的RMS值由32.041 nm达到11.566 nm, 收敛率达 2.77, 对实际加工具有指导意义。

为了测量离轴非球面镜的曲率半径、圆锥系数等参数，提出了一种使用激光跟踪仪快速测量二次非球面的方法。重点介绍了使用激光跟踪仪得到空间三维坐标后的数据处理方法。实验中对一离轴非球面反射镜进行了测量，通过非线性最小二乘拟合得到了其曲率半径及圆锥系数，拟合结果均方根误差（RMSE）约为1.6 μm，确定系数约为0.999999954，所得曲率半径及圆锥系数与已有测量方法相差很小。理论分析以及实验结果表明，该方法简单通用，易于实施，数据处理过程快速可靠，适用于二次非球面镜曲率半径等参数的测量。

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。

分析了碳化硅作为空间反射镜材料的各种优点，研究了加工和检测离轴碳化硅非球面反射镜的各项关键技术。利用自行开发的非球面加工中心FSGJ-2对离轴碳化硅非球面进行了研磨、抛光和轮廓测量，分析了计算全息补偿检测离轴非球面的基本原理，并专门设计研制了计算全息衍射检测装置，对大口径离轴非球面反射镜进行了零位补偿干涉测量。结合工程实例对一口径为468 mm×296 mm的离轴碳化硅非球面进行了超精加工与检测，最终面形误差峰谷(PV)值为0.148λ，均方根（RMS）值为0.017λ（λ=632.8 nm），达到了良好的效果。

将子孔径拼接技术与干涉技术相结合提出了一种新的检测离轴非球面的方法，该方法无需其他辅助光学元件就可以实现对大口径、离轴非球面的测量.对其基本原理进行了分析和研究；并基于齐次坐标变换、最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型；开发了子孔径拼接检测非球面的算法软件，并设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置；利用综合优化的拼接模型对一口径为376×188 mm2的离轴非球面进行了拼接干涉测量，通过子孔径拼接算法得到了精确的全口径面形分布；且对该非球面进行零位补偿测量，其全口径面形与拼接全口径面形是一致的，面形分布的PV值和RMS值的偏差仅为0.047λ和 0.006λ.从而提供了除零位补偿检测外另一种定量测试大口径非球面以及离轴非球面的手段.

离轴非球面元件的应用可以使光学系统在成像质量和轻量化程度上得到最大限度的提高。但最接近球面以及研磨去除量的求解仍然是加工环节中极为重要的问题,为此, 提出了一种同时考虑研磨去除量最小准则和研磨变化量要求的最接近球面及研磨去除量的求解方法, 可适用于二次及高次离轴非球面最接近球面及研磨去除量的精确求解, 具有普遍意义。通过编程实例计算了最接近球面的半径、最大研磨去除量和研磨去除总量, 与经验公式计算结果的比较表明了该方法求解结果的优势, 同时离轴非球面加工中的实际应用也证明了该方法的正确性。该方法的提出对离轴非球面加工具有一定的理论和实际指导意义。