计算机控制大气等离子体光学加工方法研究

论文摘要

伴随空间光学的快速发展,非球面光学元件以其优越的光学性能、紧凑的结构等特点正越来越多的广泛应用于现代科技领域,要求必须寻找一种能够实现快速、批量生产非球面的制造技术。与此同时,现代微电子技术和光学技术的发展对光学元件质量提出了越来越高的要求;光学元件为了获取极高的反射度值,要求表面粗糙度低于纳米级别。传统机械加工方式属于应力加工,会破坏工件表面晶格完整性并引入残余应力,难以满足超光滑表面的需求。CNC数控技术己经能够实现光学非球面元件的精密快速铣磨成型,然而,非球面抛光仍是影响非球面加工效率和精度的主要因素。基于上述原因,提出了一种新型非球面加工方法——基于计算机控制光学成形的大气等离子体加工技术,取代现有抛光方法进行快速、高效、无表层损伤的非球面加工。结合计算机控制光学表面成形技术和大气等离子体化学加工方法,进行了相关的试验研究:运用经典Preston的抛光原理,对等离子体炬的工作方式和参数进行改进和优化,以改善其抛光精度和效率,并获得了更优的特征去除函数;推导抛光过程中的驻留时间函数的数学求解;编制抛光过程的轨迹规划工作,利用相关软件编制控制研抛的操作界面,在计算机上利用MATLAB软件进行抛光模型的仿真优化,有效的控制表面残差,提高加工精度,最后进行的实验验证,完成了非球面加工工作。这种结合计算机控制技术的新型研抛加工方法对实现大规模光学元件的高效、高精度、无损伤的加工和应用具有非常实际的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 计算机控制光学表面成形技术综述
• 1.3.2 大气等离子体加工技术国内外现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 基于CCOS 的大气等离子体加工系统及控制
• 2.1 CCOS 模型
• 2.1.1 理论基础——Preston 方程
• 2.1.2 CCOS 加工流程
• 2.2 大气等离子体加工系统
• 2.2.1 亚表层无损伤形成原理
• 2.2.2 系统总体方案
• 2.2.3 控制系统硬件组成
• 2.2.4 系统软件控制
• 2.3 本章小结
• 第3章 大气等离子体加工控制算法及评价
• 3.1 大气等离子体去除函数特性
• 3.2 加工驻留时间求解
• 3.2.1 基于傅里叶（Fourier）变换法
• 3.2.2 基于线性方程组解法
• 3.3 加工过程中的轨迹规划
• 3.4 加工表面的功率谱评价
• 3.5 卷积效应对残留误差的影响与控制
• 3.6 阵列结构的加工
• 3.7 本章小结
• 第4章 大气等离子体加工模拟和实验验证
• 4.1 典型光学结构加工试验的仿真技术
• 4.1.1 非球面加工的仿真
• 4.1.2 正弦回转曲面加工的仿真
• 4.1.3 正弦波阵列结构的加工模拟
• 4.2 正弦波加工试验验证
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢