随着现代光学系统的不断发展,要求有更高的分辨率、更大的视场角。对光学系统中光学表面的要求标准也越来越高。非球面的引入能够有效的减小系统的复杂性、尺寸与重量。尤其是在大口径空间遥感仪器中,非球面具有十分重要的应用意义。由此对大口径非球面的精密加工提出更高要求,面形误差RMS值需要优于λ/60(λ=632.8 nm)。仅仅采用接触式的磨盘加工法难以达到如此高的加工精度,因为在加工过程中磨盘与光学表面需紧密接触,但是对于大口径非球面磨盘难以与表面吻合,造成材料去除率不稳定并可能向光学表面引入中频误差。除此之外,复印效应与边缘效应也影响磨盘技术进一步提升抛光质量。为实现大口径非球面更高精度的抛光,多种新技术被引入到光学加工领域。包括离子束抛光、磁流变抛光、气囊抛光、等离子体抛光与射流抛光等。离子束抛光是利用具有一定能量与空间分布的离子束流轰击表面,实现材料精密去除的一种非接触式光学加工手段。与传统加工方法相比,离子束抛光去除函数稳定性高、可控性好且没有复印效应与边缘效应,更适合大口径高陡度非球面的高精度抛光。作为一种高确定性加工手段,离子束抛光过程中去除函数信息的准确性是保证更高加工精度的基础。尤其是在离子束抛光大口径非球面的过程中,曲面去除函数与平面基准去除函数相比发生明显变化,为确保达到更高的加工精度,本文对离子束抛光大口径非球面过程中材料去除模型、曲面去除函数计算补偿以及相关加工工艺进行了系统研究,主要包括以下几个方面内容:1.离子束抛光基准去除函数模型建立与分析离子束抛光材料去除模型对于计算离子束抛光的去除函数与材料去除率具有重要意义。本文基于西格蒙德溅射理论对离子束抛光过程中材料去除过程进行了系统分析,由于能量分布不同导致的材料去除率变化,证明离子束流正入射平面时能够得到近高斯型去除函数。定义离子束正入射平面时单位时间材料去除分布为基准平面去除函数,并分别从离子束流性质与离子源工作参数两个角度出发,对影响离子束基准去除函数性质的因素进行了系统分析。2.离子束抛光过程中去除函数的在线检测与实时监控作为一种高精度的光学抛光手段,需要对去除函数进行准确的测量标定与计算,同时保证去除函数在抛光过程中的稳定性。通过去除函数实验得到去除函数数据虽然可以满足测量精度要求,但是实验成本高、周期长且无法进行在线测量。本文利用法拉第杯扫描得到的离子束流分布结果计算得到去除函数能够实现去除函数的在线测量。由离子束抛光材料去除模型可知,去除函数由离子束流空间分布和离子能量共同决定,对法拉第扫描结果进行计算,可以得到与去除函数实验同样精度的去除函数信息。此方法成本低、周期短并能对不同工作参数的去除函数进行实时监测。3.矩阵法修正离子束抛光高陡度非球面过程中去除函数变化与正入射到平面的状况不同,在离子束抛光高陡度非球面的过程中,由于光学表面上离子束流分布、浓度与离子入射参数均发生变化,去除函数也有明显变化,需要对其进行修正和补偿以解算更准确的驻留时间。根据离子溅射原理能量沉积理论建立曲面去除函数计算模型,并分析了曲面去除函数与平面基准去除函数之间的区别。提出了利用光学表面几何信息、离子束流空间分布等主要信息计算得到曲面去除函数变化矩阵,将平面基准去除函数与曲面去除函数变化矩阵相结合计算非球面抛光过程中曲面去除函数。并根据实际工程需要,分别对三轴离子束抛光系统和五轴离子束抛光系统加工非球面过程中的去除函数变化进行了分析。提出两种不同程度的近似计算方法,实现曲面去除函数的快速计算,有效的计算得到离子束抛光非球面过程中曲面去除函数信息,保证了离子束抛光非球面的效率和质量。4.离子束抛光过程中改善材料表面质量的工艺研究精密光学系统对光学表面质量的要求越来越高,提升抛光后光学表面质量具有重要意义。针对常见的镜面材料进行仿真计算与实验,探究离子束作用下镜面表面质量演化的物理过程。离子束提升表面质量的主要方法有离子束直接光滑法与牺牲层辅助离子束光滑法,分别对两者的作用原理与适用范围进行了研究和分析,针对不同材料采用不同策略达到改善表面质量的目标。大口径非球面加工过程中镜面误差的中频成分将影响镜面精度与光学系统成像质量。本文结合离子束加工材料去除特点提出两种抑制中频误差的方法,一种是大磨盘与离子束抛光组合加工法;另一种是附加材料辅助离子束抛光法,实验证明两种方法均能够比较有效的抑制和去除镜面中频误差成分,效果比较理想。5.离子束抛光大口径非球面应用实验在上述研究的基础上,建立了离子束抛光多种材料的数据库,并建立完善了离子束抛光大口径非球面的工艺操作流程,并完成了多项大口径离轴非球面反射镜的高精度抛光工作,其中包括φ1450 mm硅改性层离轴非球面的抛光,经过共30小时的加工,面形误差RMS值由50.912 nm达到8.785 nm。能够很好的满足加工精度需求。本文对离子束抛光大口径非球面过程中遇到的主要问题与加工工艺进行了系统研究,建立了曲面去除函数模型,对离子束抛光大口径非球面过程中的去除函数信息进行准确计算,并以此为基础利用矩阵算法解算加工驻留时间。在加工工艺发面,提出利用离子束抛光提升镜面质量、抑制镜面中频误差的方法,克服了传统加工方法对加工精度的限制。根据大口径非球面加工特点,完善了离子束抛光大口径非球面工艺流程,提升了离子束抛光效率、准确性以及应用范围。