预应力环抛技术 预应力环抛技术

最小化 最大化

30米口径级极大口径望远镜主镜采用1到2米尺寸的离轴非球面子镜拼接时,子镜数量多达数百块甚至上千块。离轴非球面的磨制设备和工艺要求高于正轴非球面,常规情况下只能采用小工具进行成型和抛光,这种工艺在原理上会导致镜面的波纹度变差,影响成像的质量。对拼接镜面,子镜边缘误差和表面高频误差将会严重影响到整镜面的拼接效果。

镜面预应力抛光(Stressed mirror polishing)方法是由Jerry E Nelson等人在磨制10米KECK望远镜提出的。其基本原理是:预先根据精确的计算,给镜坯施加外力矩,使之按照期望的目标变形,在保持变形状态下,将镜面磨制抛光成球面,最后撤去外力,获得所需要的离轴非球面。由于研制过程的作用对象由非球面变成了球面,方式改变使难度降低(因在过程中使用了大口径工具,能够确保整个镜面的面形非常平滑,抛光速度也非常快),效率可以得到极大提高。

环抛机具有抛光效率高,获得镜面一致性好的优点,其抛光模直径远大于被加工件的尺寸,所以加工精度很高。一台环抛机设置有多个抛光工位,零件放入或取出过程中,可不停机,有利于批量加工。基于这些优点,环抛技术推广应用到天文镜面研制中,在抛光一定批量和一致性要求的大口径平面和球面时展现了很好的应用价值。例如,LAMOST望远镜中的反射Schmidt改正镜的子镜,美国的HET望远镜和南非SALT望远镜的拼接子镜。

利用预应力加工方法抛光极大口径望远镜的离轴非球面拼接子镜时,镜面曲率半径非常长,实际上与平面非常接近,所以可以用环抛机进行抛光。抛光过程中,一台环抛机同时可以加工几块镜子,从而可以实现快速高效工艺特性;改变预应力的大小,可以获得对应主镜不同位置的不同种类的离轴非球面子镜。目前研究室已经开展了1米尺寸的离轴非球面预应力抛光方法的研究。图3给出了利用环抛机对施加预应力的镜面进行抛光的基本概念

 

图3