光学非球面反射镜轻量化制造技术

　　1 引 言

　　光学科学技术的发展，与光学仪器的设计、制造技术的发展有着紧密联系，尤其与其中核心的光学元部件所能够达到的功能及制造质量密切相关。自1668年Issac Newton第1个成功制造出1架口径2.54cm 的反射式望远镜以来，光学元件制造工艺及光学系统设计方案就一直处于该领域研究工作的核心地位。

　　传统的精密光学元部件绝大部分借助于工艺上较易获得的光学球面，但是，在这类光学系统中，光学性能将会受到很大程度的限制。

　　与球面元件比较，非球面在矫正像差方面有不可替代的优势，往往一块非球面镜就可以替代很多块球面镜的作用，从而大大减小了整个光学系统单元的数量及重量。所以，现代大型天文望远镜、侦察相机中的主镜都是采用非球面元件制造。虽然非球面元件具有无比的优越性，但是，大型非球面元件的加工和检测都要比球面困难得多，主要因为[1~3]：

　　(1)多数的非球面元件只有一个对称轴，而球面却有无数条对称轴，所以，非球面元件不能采用球面元件加工时的范成法原理进行加工。

　　(2)球面元件上各点处的曲率半径不同，在进行抛光加工时，元件面形难以修正。

　　近年来，光学制造技术与光学设计软件得到了长足的进步，特别是空间光学的快速发展，要求空间遥感器的分辨率越来越高、视场角越来越大。因此新一代的空间相机一般通过采用轻质大尺寸的非球面光学元件来提高系统的成像质量，以降低系统复杂性。而空间相机中的结构件主要是用来支撑和定位主镜，如果主镜制作得更轻，则系统的其他结构将会设计得更加轻巧，受此趋势影响，大口径非球面镜的轻量化问题成为一个研究热点。

　　2 轻量化技术

　　轻量化光学元件主要应用在空间光学系统或大型地基望远镜中。在望远镜中主镜是用来收集和会聚光线的，而望远镜结构件主要是用来支撑和定位主镜，如果主镜制作得更轻，那么系统的其他结构(例如镜室、镜筒、固定结构、驱动部件以及镜座等)也会设计得更为轻巧。这样无论是空间望远镜的发射成本，还是地基望远镜的成本都会大大降低，同时望远镜的运动也会变得更加容易控制。传统反射镜的制造工序是从玻璃毛坯开始的，玻璃首先要经过铣磨和抛光成形，然后反射面镀膜，通常是铝膜。这里需注意的是：反射面是铝膜而并非玻璃面，玻璃的功能是保证铝膜保持恰当的面形。为保证镜面在工作状态下不发生扭曲变形，以及支撑结构对镜面不产生“印痕”现象，在传统的工艺条件下对反射镜的基底有最小厚度的要求。通过使用密度最小的材料铍，反射镜的面密度(反射镜重量/反射镜曲面面积)可达到约 20 kg/m2。但由于铍材料具有很强的毒性，现已被禁止使用来制造反射镜，因此人们提出了轻质镜的概念，针对轻质镜而言，要求反射镜具有较大的比刚度。图 1 给出主镜轻量化的发展历程。