小磨頭拋光.應(yīng)力盤拋光.氣囊拋光.磁流變拋光.離子束拋光.介紹
1、小磨頭拋光技術(shù)：
使用一個(gè)比工件口徑小得多的磨頭對(duì)工件進(jìn)行拋光，通過控制磨頭在工件表面不同位置的駐留時(shí)間以及磨頭與工件之間的壓強(qiáng)來控制材料去除量。
這項(xiàng)技術(shù)最先由美國的Itek公司提出，后面逐步應(yīng)用在工業(yè)制造中。典型的美國的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡直徑2.4m的主鏡就是采用CCOS拋光，最終面形精度達(dá)到了12nm RMS。
由于使用計(jì)算機(jī)控制替代人工經(jīng)驗(yàn)，小磨頭技術(shù)使光學(xué)加工擺脫了傳統(tǒng)的手工研拋，拋光過程穩(wěn)定，確定性高，因此加工效率和加工精度也高，可以大大縮短大口徑光學(xué)元件的加工周期。
同時(shí)小磨頭技術(shù)原理簡單，成本低，易實(shí)現(xiàn)，并且可以根據(jù)實(shí)際需求更換不同尺寸的磨頭，因此在大口徑光學(xué)元件加工中得到了廣泛應(yīng)用。
但是小磨頭技術(shù)仍然是接觸式機(jī)械加工，存在邊緣效應(yīng)、拋光盤磨損和亞表面損傷等一些缺點(diǎn)，同時(shí)由于拋光盤是剛性盤，在加工非球面時(shí)不能與鏡面很好地貼合，容易產(chǎn)生中高頻誤差。
2、應(yīng)力盤拋光技術(shù)（Stressed Lap Polishing,SLP）：
根據(jù)薄板應(yīng)力變形原理發(fā)展出來的一種非球面加工方法，在拋光非球面工件時(shí)，通過計(jì)算機(jī)控制可以使應(yīng)力盤的形狀實(shí)時(shí)地變更成所需要的面形，實(shí)現(xiàn)拋光盤與工件鏡面的完全貼合。SLP克服了小磨頭拋光盤是剛性盤不能與非球面完全吻合的缺點(diǎn)，是對(duì)小磨頭技術(shù)的一種發(fā)展和補(bǔ)充。
該技術(shù)是在20世紀(jì)90年代初，由美國亞利桑那大學(xué)斯迪瓦天文臺(tái)大鏡實(shí)驗(yàn)室提出。并研制成功應(yīng)力盤拋光機(jī)床，可加工工件口徑達(dá)Φ8.0m，應(yīng)力盤有效口徑為Φ1.2m，利用該設(shè)備加工了一系列的大鏡，包括：1.8mf/1.0 VATT主鏡(Lennon Telescope)、3.5mf/1.5 SOR主鏡、6.5mf/1.25 Multiple Mirror Telescope(MMT)主鏡和6.5mf/1.25 Magellan主鏡。
SLP技術(shù)與小磨頭技術(shù)相比，由于所用的應(yīng)力盤直徑比較大，去除效率高，比較適合加工大口徑光學(xué)元件，并且加工非球面時(shí)，磨頭能夠與工件表面緊密貼合，因此不會(huì)產(chǎn)生中高頻誤差。但是由于SLP技術(shù)和小磨頭技術(shù)一樣，也屬于接觸式加工方法，同樣存在邊緣效應(yīng)和亞表面損傷等缺點(diǎn)。
另外由于加工非球面時(shí)要求應(yīng)力盤的面形要根據(jù)工件形狀實(shí)時(shí)變化，這對(duì)控制技術(shù)的要求也較高。
3、磁流變拋光技術(shù)（Magnetorheological finishing, MRF）：
20世紀(jì)90年代初，美國COM中心提出了這項(xiàng)技術(shù)，將電磁學(xué)和流體力學(xué)理論相結(jié)合，利用磁流變液在磁場中的流變特性對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行拋光。
MRF沒有拋光盤，利用磁流變液與工件之間的剪切力去除材料，對(duì)工件的正壓力很小，因此不存在接觸式拋光方法中的拋光盤磨損和亞表面損傷等缺點(diǎn)。
但是由于MRF拋光輪尺寸較大，去除效率對(duì)拋光距離比較敏感，因此不適宜拋光高陡度凹曲面和大長徑內(nèi)腔元件。
4、氣囊拋光技術(shù)（Bonnet Polishing）：
使用特制的氣壓在線可控的柔性氣囊，氣囊的外形為球冠，氣囊外面粘貼專用的柔性聚氨酯拋光墊或拋光布。
該技術(shù)是在20世紀(jì)90年代，由倫敦大學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出，目的是為了解決非球面加工拋光盤與非球面面形不吻合的情況。
氣囊為柔性結(jié)構(gòu)，可以很好地與工件貼合；拋光區(qū)域內(nèi)材料去除均勻；工藝過程可控性好等。因此該方法很容易加工出高精度、高表面質(zhì)量的光學(xué)器件。近些年氣囊拋光技術(shù)的發(fā)展方向是提高加工效率、降低邊緣效應(yīng)和去除中高頻誤差等。
5、離子束拋光技術(shù)（Ion Beam Figuring, IBF）：
在真空條件下，將氬氣（Ar）、氪氣（Kr）、氙氣（Xe）等惰性氣體通過離子源電離產(chǎn)生具有一定能量的離子束流轟擊工件表面，當(dāng)離子束流到達(dá)工件表面時(shí)，會(huì)與工件材料原子進(jìn)行能量交換，當(dāng)工件表面原子獲得足夠的能量可以擺脫材料表面束縛能時(shí)，就會(huì)脫離工件表面，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。
早在1965年，美國人Meinel就發(fā)現(xiàn)了光學(xué)材料在離子束作用下有去除的現(xiàn)象，但是由于當(dāng)時(shí)使用的窄束高能離子源的能量密度太高，短時(shí)間內(nèi)就將鏡燒毀，難以控制能量發(fā)射密度，加工去除的效率很低，因此很長時(shí)間沒有使用進(jìn)展。直到20世紀(jì)70年代末期，寬束低能的Kaufman離子源的出現(xiàn)使得這項(xiàng)技術(shù)成為可用的技術(shù)，不僅將離子能量限制在300-1500eV的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)光學(xué)鏡面造成損傷，同時(shí)還提高了離子束加工的效率，因此離子束的技術(shù)開始正式應(yīng)用在光學(xué)元件的加工上面。
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離子束拋光技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
非接觸式加工：加工過程中離子束對(duì)工件表面沒有機(jī)械作用力，因此不會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生亞表面損傷。同時(shí)在工件邊緣處去除函數(shù)的形狀與去除效率也不會(huì)發(fā)生變化，因此不存在邊緣效應(yīng)。
加工精度高，表面光潔度好：在計(jì)算機(jī)和干涉儀的精密控制下進(jìn)行加工，理論上加工精度可以達(dá)到原子量級(jí)以上，加工環(huán)境穩(wěn)定，離子源產(chǎn)生的離子束波動(dòng)小，工件表面不會(huì)出現(xiàn)磨損。
高斯型去除函數(shù)：與其它幾種拋光方法相比，去除函數(shù)最接近高斯型分布，便于求解駐留時(shí)間分布。
去除函數(shù)魯棒性好：離子束拋光是在真空中，去除函數(shù)的可控性與穩(wěn)定性好，適合加工大口徑光學(xué)元件；
面形適用性廣：離子束拋光時(shí)，離子束流始終與工件表面緊密貼合，不會(huì)產(chǎn)生由于拋光工具和鏡面不吻合而導(dǎo)致的中高頻誤差，因此適用于球面和非球面的加工，特別是高陡度非球面的高精度加工；
應(yīng)用材料范圍廣：加工材料通有金屬、陶瓷、寶石，典型的有316L不銹鋼、AZI鎂合金、高溫合金、高速鋼、W6M05Cr4V2高速鋼、復(fù)合氮化物硬質(zhì)涂層、DLC。
總結(jié)：
對(duì)面形精度有較高要求的大口徑光學(xué)元件，僅采取單一方法加工到高精度仍然比較困難，一般需要根據(jù)加工過程中面形殘差的量級(jí)與頻段分布等特點(diǎn)，組合選擇不同的加工方法。當(dāng)面形殘差較小快接近目標(biāo)值時(shí)，再采用離子束拋光進(jìn)行最后的高精度拋光。
加工能力優(yōu)良的評(píng)判：關(guān)鍵工藝及指標(biāo)的簡析
上面我們?cè)诮榻B不同的加工技術(shù)過程中提到了很多相關(guān)的數(shù)字和指標(biāo)，這里我們來對(duì)一些重要的影響指標(biāo)做簡單介紹。
加工類型：
非球面加工：廣義來說非球面就是不包括球面和平面的其他表面，從應(yīng)用的角度來看，非球面又可以分為軸對(duì)稱的非球面、具有兩個(gè)對(duì)稱面的非球面、沒有對(duì)稱面的自由曲面（眼鏡鏡片）。非球面的加工難度在于其表面沒有一個(gè)固定通用的函數(shù)表達(dá)，不同的應(yīng)用場景對(duì)應(yīng)的球面函數(shù)都可能有所不同，可以稱之為自由曲面，自由曲面一般可以通過多項(xiàng)式級(jí)數(shù)、Zernike 級(jí)數(shù)或者三次樣條插值進(jìn)行描述，類似于表面上面的多個(gè)小區(qū)域的累加逼近，也是一種極限的概念，在編寫程序的時(shí)候需要對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行求解。
球面加工：簡單來說就是加工的曲面是半球面或者球弧面，具有規(guī)則的表面函數(shù)，進(jìn)行銑削、拋光等工藝的時(shí)候，磨頭或者拋光面的設(shè)定相對(duì)容易，可以保持較好的貼合度，加工難度相對(duì)較低。
柱面加工：柱面鏡是非球面透鏡中常見的一種，其與子午、弧矢截面的交線分別為兩圓弧的交線與兩平行的直線，兩截面成像性質(zhì)若分別用球面系統(tǒng)來描述，則一個(gè)截面有光焦度，而另一截面是無光焦度的，當(dāng)一平行激光束通過柱面鏡時(shí)，可以使焦點(diǎn)沿一個(gè)方向拉開成一條線，柱面鏡的這一特性在某些特殊場合有其特定的用途。例如，在線性探測器照明，條形碼掃描，全息照明，光信息處理，計(jì)算機(jī)，激光發(fā)射，強(qiáng)激光系統(tǒng)和同步輻射光束線中有著廣泛的應(yīng)用。
技術(shù)指標(biāo)：
加工直徑：主要針對(duì)非球面的加工，非球面無法用球面或者柱面的圓半徑來衡量，因此直接采用加工面的直徑來分析，通常從mm到m量級(jí)都會(huì)有。加工直徑越大代表著加工曲面的尺寸越大，在保證一定的精度要求下，其對(duì)大磨頭或者高效率的離子束有著較高要求。直徑越大，精度不變，加工效率越低；直徑越大，加工效率一定，精度越低。在面對(duì)大直徑或者大口徑的加工時(shí)候如何保證高效率、高精度是光學(xué)加工的一個(gè)重要趨勢和方向。
面形精度：
PV：Peak to Valley，PV=Wmax-Wmin,簡單來說就是在被加工的表面上面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的高度差（通常用um為單位），對(duì)于球面、平面和非球面有細(xì)微的定義差別。由于目前干涉儀檢測設(shè)備中使用的探測器空間分辨率的不同，噪聲、亮點(diǎn)等會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，因此PV有時(shí)候會(huì)比真實(shí)的數(shù)據(jù)要大，所有有時(shí)候會(huì)用PVr來描述面形精度。不管是PV還是PVr值，數(shù)值越大代表了表面越粗糙。
RMS：Root mean square，均方根，下面是它的計(jì)算公式。從公式可以看到它代表了表面上所有凹凸部位的一個(gè)平均值。如果說PV值代表了整個(gè)面上面的最大高度差，那么RMS就代表了面上面所有高度差的平均值，RMS越小面形越平整。因此可以看出來PV值越小，并不一定代表面形精度越高，同時(shí)要需要兼顧RMS的值。就好像是誤差均值線附近波動(dòng)的點(diǎn)。
表面光潔度：通常用兩組數(shù)字來表示表面的缺陷大小，例如40/20,40代表了表面限制劃痕的尺寸，20表示了表面顯示缺陷麻點(diǎn)的大小。兩者數(shù)值越小代表表面光潔度的要求越高。（長寬比>4:1的為劃痕，<4:1的為麻點(diǎn)）。
母線偏移：這個(gè)指標(biāo)通常會(huì)在柱面加工中單列出來，柱面可以看做是平面圍繞母線旋轉(zhuǎn)而成的結(jié)構(gòu)。母線偏移是指在柱面軸心方向相對(duì)于平面中心向一邊偏移。如下圖所示。
總結(jié)：
關(guān)于技術(shù)指標(biāo)，理想的狀態(tài)就是把每一項(xiàng)指標(biāo)都做到極致。但是在實(shí)際中是一個(gè)兼容和折中的過程，就比如在面對(duì)大口徑加工的時(shí)候，想要提高一定的加工效率就可能面臨著損失部分加工精度；想要提高整體的加工精度的時(shí)候，就需要降低一定程度的加工效率（越高的加工精度就需要更多的迭代加工次數(shù)，時(shí)間成本越大）。這一類的指標(biāo)是需要進(jìn)行折中考慮的。
還有一類的指標(biāo)彼此之間存在偏重點(diǎn)，比如之前提到的PV和RMS，并不是某一個(gè)單一的指標(biāo)做到最好，另外一個(gè)指標(biāo)一定能夠做到，PV值越小并不代表表面越平整，某種程度上來看RMS的占比要更重要。
