超精密加工铝反射镜表面形貌建模及散射特性研究

作     者：林杰 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙雅洲

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：超精密加工 铝反射镜 表面形貌 散射特性 双向反射分布函数 

摘      要：光学铝具有制造周期短、易于成型、质量轻等优点,将由铝合金制成的反射镜和支撑结构组合使用可以提高光学系统的温度适应性和稳定性,所以铝反射镜被越来越广泛的应用到航空航天、军工国防等重要领域。通过对铝合金材料进行超精密加工,可以获得满足红外光学系统成像要求的光学反射镜。但是反射镜表面的光散射现象严重降低了其光学性能,甚至会破坏光学系统的探测设备。所以探究影响反射镜表面光散射特性的主要因素,以便能够抑制或消除表面散射现象已经成为一个亟需解决的问题。本文综合考虑加工运动学、刀具几何形状、加工参数、塑性测流、弹性恢复以及加工振动等多种因素对表面形貌的影响,基于MATLAB软件建立超精密车削表面三维形貌模型,仿真分析加工过程中振动频率对车削表面脊峰数量和形状的影响规律。在此基础上,建立给定粗糙度前提下飞切和磨削加工表面的三维形貌模型。上述形貌模型将会导入后续的电磁场仿真中,作为几何模型的一部分来使用。为了定量描述加工表面的光散射特性,选择双向反射分布函数(BRDF)作为研究载体,利用相关理论推导出BRDF与电场强度之间的计算关系式。基于COMSOL有限元仿真软件建立电磁场仿真模型,采用背景场平面波的形式设置入射光源,利用MATLAB处理得到BRDF分布曲线。改变仿真参数,探究车削、飞切及磨削三种加工表面散射特性之间的差异性,验证车削加工方法的优越性。在此基础上,分析车削加工中进给量、振动幅值、刀尖圆弧半径及入射光源波长对表面散射特性的影响规律,对各种因素的作用机制进行相应的理论分析。针对Al6061材料开展反射镜超精密车削加工实验,利用激光干涉仪和白光干涉仪对工件表面形貌及粗糙度进行检测,并与仿真结果进行对比验证前文形貌模型的正确性。利用BRDF检测系统对工件表面的散射性能进行检测,分析车削进给量及入射光源角度对BRDF分布曲线的影响规律。根据实验所用样品的对应参数进行建模仿真,与实验结果对比并进行误差分析,从而验证前文电磁场仿真结果的正确性。