Wolter-Ⅰ型掠入射反射镜的加工

　　1　引　言

　　进入空间时代，近地空间环境与人类的生活息息相关，而空间环境状态直接受太阳活动的影响和调制。当太阳耀斑爆发时，其X 射线波段特征变化十分显著，因此观测太阳X 射线的变化对研究太阳活动的形成、发生和发展具有重要价值。目前，许多国家相继在科研气象卫星上搭载了太阳 X射线成像仪对太阳活动进行实时监测[1]。

　　X射线具有波长短，能量大，容易穿透物质的特点，而且，所有材料在这个波段的正入射反射率都极低，即使采用多层膜技术，也无法满足实用化的要求。为了实现对X 射线的聚焦成像，人们常采取掠入射结构的成像系统。在太阳软X 射线-极紫外(EUV)波段复合型望远镜设计中，对于0.4～6nm 波段的成像采用了 Wolter-1型掠入射结构，即由一个旋转抛物面和一个旋转双曲面组成同轴共焦系统光路[2]，通过两次反射，实现对 X射线的聚焦成像。此结构可获得较高的成像分辨率。传统的光学元件表面一般为平面或者小曲率的球面和非球面。磨头一般采用平转动或行星运动的方式来加工这些表面[3-6]。但对于WolterⅠ型掠入射反射镜特殊的近似柱面结构，磨头平转动或行星运动去除方式已不再适用，科学家们更多地是采用旋进方式来加工柱面内表面[9-13]。本文主要描述了计算机控制光学表面成形(CCOS)技术加工 Wolter-I型掠入射反射镜的过程和工艺。在自研的研抛设备上，以不同粒径的氧化铈作为抛光液，对金刚砂砂轮粗磨后的工件进行抛光。通过改变磨头相对工件的压入深度，获得不同大小的磨头去除区域，实现对上一个抛光周期后的残留误差的有效去除。文中介绍了用于反射镜面形检测的设备，进行了抛光和检测试验，为进一步加工符合设计要求的入射反射镜奠定了基础。

　　2　Wolter-I型掠入射反射镜的加工系统

　　根据反射镜柱面内表面的特殊结构，自研了一台数控研抛机，如图1所示。该机床由工件旋转主轴、工件平移机构、磨头二维平移机构、磨头旋转机构、面形在线检测系统、计算机控制系统组成。整个系统采用花岗岩平台作为支撑台，以空气静压轴承作为工件回转轴。采用滚动直线导轨作为加工磨头运动驱动装置，以PC1000作为控制系统。空气静压轴承的轴向端跳动误差优于3μm，细分驱动后的滚动直线导轨的定位精度为5μm。

　　3　加工 Wolter-I型反射镜的去除函数

　　3.1　去除函数的建模

　　掠入射反射镜是由一个旋转抛物面和一个旋转双曲面组成的同轴共焦系统，抛光磨头为弹性球状小磨头。研磨后的反射镜在圆度上的误差满足公差需求，优于RMS为0.1μm，可以沿轴向逐环带的修正 WolterⅠ型反射镜的面形。加工时磨头作用在工件表面并压下一定深度，磨头以角速度为ω2自转运动，工件以角速度ω1转动。旋转中心轴与接触面中心点法向量间保持一定的角度(即旋偏角)。磨头与工件的接触面为曲面，如图2所示。