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大尺寸光学零件轻量化工艺研究 Technical study of the great size lightweight optical elements 答辩人:孙涛 指导教师:耿素杰 第一章 绪论 无论是气象预报,资源考察,天文观测,还是军事侦察、预警等高科技的发展都需要适合于空间环境使用的高分辨率的光学遥感和照相系统。 要想达到理想的极限分辨率是光学系统追求的主要目标。光学系统分辨率用下式表示 式中　f ——焦距; λ ——工作波长;D ——反射镜口径。 从式中看出,要达到理想的光学分辨率,分辨更小的物体,加大口径D 是重要的技术途径。 第二章 轻量化反射镜的制备技术 以玻璃质材料（包括微晶玻璃）制作轻型反射镜的主要技术途径可分为下列三类，即：浇铸成型法，高温熔接或熔接物封接法，机械钻孔减重法。三种方法各有其特点，对镜坯材料要求也各有所异，制作的反射镜性能也有差异. 2.1浇铸成型法 本方法的特征是采用预先制备好的模具，在高温下将熔融的玻璃液注入模具，形成需要的反射镜镜坯形状，待温度逐渐下降，玻璃液转变为固体，而得到反射镜镜坯 .图示为几种不同的高温铸模方式。 2.2高温熔接法 高温熔接法制作的轻型反射镜为夹芯结构形式的轻型反射镜,即反射镜由作为反射工作面的反射板和作为反射镜刚性骨架的蜂窝夹芯层及为增强反射镜刚性的底板等三部分组成,图为夹芯结构反射镜示意图。图中所示外环和内环可以根据需要取舍。 2.3熔接物封接法 熔接物封接法与高温熔接法不同的是反射板、蜂窝板和底板的封接不是靠材料本身的软化而熔接,而是采用一种特殊研制的封接材料,其封接作业温度远低于镜坯材料的软化温度,而热膨胀系数与镜坯材料相匹配,其他物理和化学性能也与镜坯材料相容。 第三章 球面轻量化反射镜的光学零件图及主要技术指标 资源后续星五米相机光学系统结构形式采用折反式光学系统。其中球面反射镜是关键光学元件之一,也是这台相机初样研制中需进行重点工艺技术攻关项目之一。 它的主要技术难点是: (1)轻量化加工工艺。 (2)高精度光学抛光工艺与检测。 (3)宽带高反射镀膜。 球面反射镜材料为德国肖特厂(shott)生产的微晶玻璃(Zerodur)牌号CO-115M. 球面反射镜外形尺寸:Ф330×46.85,通光口Ф315,球面半径R1918.28。 轻量化率 65%,轻量化结构采用扇形结构,孔间壁厚5mm,镜面厚度12mm。 用干涉仪检测面形误差局部差其均方根值(RMS)小于λ/60 。 表面光洁度P=IV级。 表面镀银反射膜加保护膜。在工作波段λ=(0.5～0.90) um ,平均反射率R ≥ 0.97 第四章 轻量化球面镜的加工工艺 4.1球面反射镜的轻量化加工工艺 4.1.1 工艺方法与设备 我们采用的是机械钻孔方法。这种方法比较切实可行，稳妥可靠。当然，由于要求加工扇型孔，技术上有一定难度。我们所采用机床设备是ZX-40型钻铣床，并进行必要的改装和加上转台等附件，就可以用于光学加工了。 4.1.2工装设计与制造 全部轻量化孔有36个扇形孔和一个中心圆孔，呈轴对称分布。由于均为盲孔，对于扇形孔需采用金刚石钻头和铣刀套料加工。钻头结构形状是在钢质钻头杆上镶嵌长条形状金刚石块。这种钻头切削效率高，寿命长。机床上的改装主要是在工作台上加装水盆以及安装光学零件底板，并加装一个转台。用来加工扇形孔与进行孔的方向定位，配置一个冷却水箱与水泵。 4.1.3轻量化钻孔加工 工艺过程简述如下 （1）粗磨加工。在大型粗磨铣磨机上对德国进口的微晶玻璃毛坯进行改厚度，滚外圆台阶，改基面并铣磨开半径R1918.28（也可以用粗磨盘开半径) （2）划线。将全部加工孔的坐标位置与外形尺寸均画出。为了防止加工孔过程中划线被冲洗掉，需用金刚石刻刀划深一些。 （3）在ZX-40型钻铣床上安装定位固紧光学零件进行钻孔加工，这种加工是要小心谨慎进行的。一个扇形孔的加工需经多道工序，现在划好的扇形区域内加工几个小圆孔，然后用铣刀进行成形加工，角度由精密转台控制。小圆孔的作用是减小铣刀的进刀阻力并且防止炸裂现象的发生。通常半天到一天加工一个扇形孔。 4.2球面的光学加工工艺 4.3.1初始精磨抛光 为避免球面镜抛光完装框，灌胶时产生变形，降低表面面形精度，采取了分阶段抛光。初始抛光时对球面镜光学元件进行常规精磨，抛光，不必达到设计最终面形精度，仅达到N = 0.4，ΔN = 0.3～0.4,然后进行