针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点, 提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法, 对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8 nm)时, 对主镜和第三镜进行共基准装调和测试, 并进行背板一体化装嵌, 然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例, 对一大口径非球面系统口径为724 mm×247 mm的非球面主镜和口径为632 mm×205 mm的第三镜进行了共基准加工与检测, 最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ, 满足光学成像。

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点, 提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板, 以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分, 故降低了结构整体重量, 提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测, 结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ, 均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试, 测得一阶模态频率为48 Hz, 对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz, 满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中, 通过分时对主镜和三镜进行加工, 省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间, 加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率, 为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。

为了实现光学元件的高精度加工,对离子束加工过程中关键的驻留时间求解算法进行了研究。通过分析离子束加工过程的基本原理,将传统的驻留时间反卷积求解过程转化为求解矩阵方程过程。在将正则化加权因子引入矩阵方程的基础上,又引入额外加工余量这一新的参量,增加了解的自由度,从而扩大了驻留时间解的搜索范围,同时将Gerchberg带限外插算法应用于初始面形的优化延拓中,保证了全孔径范围内面形精度一致。实例计算50 mm的平面光学元件表明,面形精度从初始的均方根值为0.5747 λ,峰谷值为2.3706 λ(λ=632.8 nm)收敛到全孔径范围内的均方根值为0.001 λ,峰谷值为0.0115 λ。由此可见该优化求解过程可有效地求解出驻留时间,为离子束加工过程提供了有力的保障。

为了实现光学非球面元件的高精度加工，对先进的离子束加工系统进行了研究。通过对离子束加工系统的分析，给出了加工非球面光学元件的离子源子系统运动模型公式，并将求解驻留时间的反卷积过程转化为求解线性矩阵方程过程以便优化求解。分析了加工过程中出现的离子源定位误差，指出其对最终面形精度的影响可归结为一个系数因子的控制上，并提出了综合考虑离子束材料去除函数和定位误差的方法来控制系数因子以降低对定位系统精度的苛刻要求。仿真验证表明，该模型计算出的驻留时间函数可以有效地保证光学元件的面形精度达0.0381λ；离子束定位误差引起的面形精度的变化量满足最大变化量公式的限制。该模型可用于各种非球面光学元件离子束加工过程驻留时间的求解和设备的定位误差设计，在保证过程稳定的同时降低了设备成本。

提出了离子束加工可达性问题的理论描述和定义,分析了驻留函数解的存在条件,进而分析了采用不同直径的离子束去除不同频率面形误差时额外去除量的大小,最后进行了仿真验证.分析结果表明,对于高斯型的束函数,驻留函数解总是存在的.但是面形误差频率越高,驻留函数解越大,去除面形误差时去除的额外材料越多.额外的材料去除量随着离子束径和空间误差波长之比(d/λ)的增加而指数增加.当d/λ=0.5时,额外材料去除量为15%,还是可以接受的;当d/λ=1时,额外材料去除量迅速上升到73%,该值即很难被接受.理论分析和仿真结果表明,为了优化加工过程,d/λ应该＜0.5.