抽样点对基于Zernike多项式曲面拟合精度的影响

在光学测量中,常以Zernike多项式作为基底函数对测量得到的离散数据进行拟合,把实际波面或面形表示为Zernike多项式各项的线性组合,用拟合得到的曲面方程去反应实际波面或面形的属性。现研究了用不同精度的测量设备得到的抽样数据进行基于Zernike多项式的曲面拟合,研究了测量设备精度和抽样点数目对拟合精度的影响,得出通过增加抽样点可以对由较低精度设备测得的抽样数据进行较高精度拟合的结论。     

大口径传输反射镜在装配紧固力下的面形误差分析

400mm级通光口径的大型传输反射镜是我国在建的高功率固体激光装置中的关键部件,反射镜的面形精度对最终的激光打靶精度有直接影响。针对反射镜所采用的螺纹紧固型装配固定方式,通过结构有限元分析和波面拟合方法研究了理论螺纹紧固力和反射镜面形变化定量作用规律。考虑零部件的制造误差、材料以及人为操作等变化因素的影响,实际中各个螺钉的紧固力在一定范围内呈随机分布,基于蒙特卡罗模拟仿真方法研究了实际螺钉紧固力的不确定性对反射镜面面形精度的影响,得出了满足面形精度要求的临界紧固力大小,为现场反射镜装配工艺的校准和优化提供了理论借鉴。     

小形变变形镜的设计及其在低像差脉冲压缩光栅中的应用

考虑激光脉冲啁啾放大与压缩技术要求脉冲压缩光栅有较低的像差,设计并制作了一个小形变变形镜来补偿大口径光栅基板加工残余的亚微米级静态像差对光栅波像差的影响。该变形镜有效口径为80mm、厚度为5mm,包含19个分立式压电促动器。采用干涉仪测量得到各个促动器的响应函数,构建了变形镜的刚度矩阵;采用最小二乘法求解出获得目标面形时各个促动器上所需施加的控制电压;通过整体优化和局部优化的结合,使变形镜的目标面形得到了有效控制。应用该变形镜构建了主动式全息光学记录系统,并选用具有较大像差的基板开展了光栅像差补偿实验。实验显示,对残余像差为~0.93λ的基板,采用变形镜后制作出了残余波面PV可达0.14λ(@633nm)的脉冲压缩光栅,验证了小形变变形镜在光栅基底像差补偿上的有效性。     

微变形反射镜主要性能测试研究

微变形反射镜(MEMS-DM)是用于自适应光学中波前校正的重要元件。测试实验中对37单元微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了推导和全面测量,从而验证了其叠加性。由光学影响函数推导出了微变形反射镜的控制电压矩阵,利用电压矩阵校正了变形镜的初始面形。最后,对微变形镜校正波前畸变能力进行了测量和评估,得出关于优化微变形镜设计相关方面的一些结论。     

光学面形误差对环围能量比的影响

以发射光学系统为研究对象,假设面形误差为高斯平稳随机过程,建立了光学面形误差均方根梯度(GRMS)与远场靶面上环围能量比(EE)之间的数学关系模型,进行了仿真分析并对实际面形数据做了验证。研究表明,环围能量比随GRMS的增加呈指数衰减;同时面形误差低频和高频部分分别形成远场光强分布的中心核和边缘。在GRMS≤7 nm/mm时,理论计算与仿真结果非常吻合。与实际分析结果的比较表明,该数学关系模型是正确的,能够用来分析GRMS对EE的影响。     

薄膜反射镜的成形控制

针对望远镜发射系统承载空间与承载质量的限制与大口径、高分辨率反射镜使用需求之间的矛盾,开展了轻质柔性薄膜反射镜地基试验研究,实现了静电拉伸式薄膜反射镜的精确成形控制.针对口径为300 mm的同心环分布式电极静电拉伸聚酰亚胺镀铝薄膜反射镜,基于泊松方程的薄膜小变形近似求解.并通过确定每环电极对面形的影响函数来确定分布式电极对反射镜薄膜成形的控制矩阵,进而利用最小二乘法求得了分布式电极对面形精确控制所需的分布电压.用ANSYS有限元分析法对比结果,分析相关误差并总结控制方法.结果显示,在薄膜中心变形量超过2.5 mm以后,基于泊松方程的理论求解和ANSYS有限元分析结果相差很大,计算面形与理想面形偏差也很大;认为只有综合运用数值计算和有限元分析,通过确定分布式电极对面形的控制矩阵,运用最小二乘法求解分布式电压,才能准确地实现薄膜小变形面形的预知和控制.     

0.5m超薄镜主动支撑面形校正及实验

为了研究主动支撑条件对超薄镜面形误差的校正能力,以一个直径0.5m的超薄镜为例进行了面形校正的仿真分析及实验验证。分析了致动器作用力与超薄镜面形的关系,引入了一些需校正的面形误差,如初级球差、慧差、像散及重力变形等,确定了致动器作用力的优化目标,用求解非线性约束问题的优化算法——序列二次规划法计算了校正面形误差所需的致动器作用力,得到了超薄镜面形残余误差。仿真分析表明,对于归一化系数为1的初始球差、慧差、像散以及它们的叠加,用本文提供的致动器排布方式可以将面形误差校正到RMSλ/24以内,且对初级像散的校正能力最强,慧差和球差次之;竖直放置时的重力变形加上3种低阶像差的叠加也可被校正到RMSλ/24。在得到主动支撑的0.5m实验镜的初始面形结果后,重新计算了优化力和面形误差,结果表明,计算结果和实际装调结果基本一致,RMS约为λ/7。计算分析了超薄镜面形未能达到预期目标的原因,提出了适当增加致动器和提高超薄镜初始面形精度的改进方案,并最终使超薄镜面形达到RMSλ/20的要求。     

轴向温差对空间遥感器光学系统成像质量的影响

利用有限元分析计算了轴向温差对主、次镜面形的影响,对光学系统成像质量进行了评价。用PATRAN软件建立有限元模型,用NASTRAN/NT有限元分析软件完成温度场的分析计算。用Zernike多项式曲面拟合系数表示轴向温差对主、次镜面形的影响,通过ZEMAX软件分析对光学系统成像质量的影响,实现了热分析与光学分析的接口。结果表明:轴向温差不仅使光学系统产生像面位移—离焦,而且将产生各种像差,降低光学系统的成像质量,所以在调焦的同时,必须采取温控措施。最后给出了轴向温差具体的温控指标,主镜的轴向温差为0.8 ℃,次镜为1.0 ℃,主、次镜之间为3.0 ℃。     

单镜支撑结构对镜面面形影响的接触有限元分析

单镜支撑技术是影响光刻机光刻精度的关键因素之一。为了分析某光刻物镜单镜支撑结构对镜面面形的影响,采用接触有限元分析的方法对某光刻物镜系统单镜支撑结构进行分析。由于单镜还受到预紧力和夹紧结构的影响,分析时建立预紧力大小不同,夹紧结构刚度不同,支撑结构刚度不同的有限元模型,计算镜体的自重变形,并由此计算镜面面形的峰谷值(PV)、均方根值(RMS)。分析结果表明,当支撑结构特征尺寸D≥0.6 mm时,镜面面形精度对支撑结构特征尺寸D的稳定性最好,这为以后不同口径光刻机物镜系统的单镜支撑技术提供参考。     

200单元硅基单压电变形镜的设计与测试

针对天文望远镜对变形镜的需求,设计了200单元级硅基单压电变形镜并对其进行了性能测试。首先,通过有限元方法对单压电变形镜进行结构建模,分析比较了电极排列形式和边界支撑方式对变形镜性能的影响。然后,制备了3款200单元变形镜样机(环形简支,环形固支,六边形简支)。最后,利用干涉仪测量了变形镜的影响函数,并通过激光多普勒测振仪测量其频响特性。仿真与实验结果表明:致动器在50V电压下变形量可达1μm,固支条件下谐振频率在1kHz左右,对前100项Zernike像差具有良好的校正能力。该变形镜在低成本天文自适应光学系统中具有应用潜力。     

共轴TMA反射镜面形不规则影响研究

共轴TMA（三反射镜消像散系统）是轻型高分辨空间相机常用的光学系统形式。共轴TMA反射镜一般采用非球面,其面形的不规则主要由环境变化和加工精度造成。面形的环境耐受与具体的结构设计有关,加工的精度又牵涉到周期和成本,因此,在共轴TMA设计中,需要对各种因素综合分析以保证实现光学系统的设计分辨能力,同时不造成浪费。以某遮拦比为22.3％的共轴三反系统的Φ600mm主镜为例,分析了主镜、次镜和三镜面形不规则对高斯焦点波前差的影响,并拟合了数学表达式。使用环域修正Zernike多项式作为光机接口,分析了环境对反射镜面形的影响以及传递函数下降的情况,并将分析结果做为参考对主镜支撑进行了改进。根据像差容限和系统的环境耐受力,分解出主镜加工所需的精度应优于λ/36.5.     

基于PZT非球面能动抛光盘的变形优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。一个口径100mm、含19个PZT驱动器的非球面能动抛光磨盘已经试制完毕,用于一个口径350mm、k＝－1.112155、顶点半径R=840mm双曲面镜的加工实验。为研究PZT压电陶瓷驱动器迟滞效应对非球面能动抛光盘输出面形的影响,实测各PZT压电陶瓷驱动器的电压位移特性曲线,用基于径向基函数的神经网络算法建立各PZT压电陶瓷驱动器位移输出特性的数学模型并实施补偿,实测各PZT压电陶瓷驱动器迟滞补偿前后的位移输出值。最后利用有限元分析方法,得到迟滞补偿前后非球面能动抛光盘的输出面形,以及剩余残差RMS相应分别为1.910um、0.342um。通过补偿各PZT压电陶瓷驱动器的迟滞效应,非球面能动抛光盘输出面形精度得到了提高,剩余残差RMS减少了82%。     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

基于PI迟滞模型的单压电变形镜开环控制

压电非线性迟滞导致压电变形镜的开环控制精度及闭环工作带宽降低,限制了其在自适应光学系统中的应用。为克服迟滞影响,提出采用PI迟滞模型描述单压电变形镜的迟滞非线性特性,实现单压电变形镜的高精度开环控制。首先建立PI迟滞数学模型,利用最小二乘法辨识PI迟滞模型的权值,计算出PI逆模型的权值和阈值,从而获得消除迟滞后的变形镜控制电压;接着搭建了基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台,采用单压电变形镜的环形致动器进行离焦面形的开环控制实验。实验结果表明,经过迟滞消除后变形镜的电压-变形迟滞由9.3%降低到1.2%,离焦面形的开环重构精度提高70%以上,证明该迟滞模型可有效应用于单压电变形镜的开环控制。     

Simple characterisation of a deformable mirror inside a high numerical aperture microscope using phase diversity

We present a simple and versatile scheme for characterising amplitude and phase modulation by an active element, such as a deformable mirror, in the pupil plane of a high NA microscope. By placing a mirror in the vicinity of the focal plane of the objective and recording images of the reflected focal spot on a camera, we show that reliable measurements of the influence function of the mirror actuators in the pupil plane of the objective can be obtained using an iterative electric field retrieval algorithm. Compared to direct wavefront sensors, the proposed method allows characterisation for a variety of objectives with different NA and pupil sizes without modification of the setup, requires minimal space inside the microscope, and can be used with pulsed sources such as used for multiphoton microscopy. In order to validate our method, we compare our data to the results obtained with a Shack-Hartmann wavefront sensor, and show that comparable precision is achieved.     

大间隙磁力传动系统驱动规律的仿真研究

针对已提出的大间隙行波磁场驱动的磁力传动系统,采用现代计算技术和数值计算中的有限元理论,运用ANSYS软件的磁场分析功能,建立了磁力传动系统的实体模型和有限元模型,通过模拟永磁体的角位移和电磁体线圈的通电状态,对系统工作过程进行了仿真;研究了系统永磁体在转动过程中的受力情况和各参数对系统驱动能力的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明:通过增加线圈匝数、线圈通电电流、永磁体外径和永磁体磁化强度,减小电磁体和永磁体间耦合距离,将电磁体和永磁体的相对位置沿x方向两侧(左侧或右侧)置于5 mm～10 mm范围内等方法,可提高系统的驱动力矩。     

Experimental and simulation study of undesirable short-period deformation in piezoelectric deformable x-ray mirrors

To construct adaptive x-ray focusing optics whose optical parameters can be varied while performing wavefront correction, ultraprecise piezoelectric deformable mirrors have been developed. We computationally and experimentally investigated undesirable short-period deformation caused by piezoelectric actuators adhered to the substrate during mirror deformation. Based on the results of finite element method analysis, shape measurements, and the observation of x-ray reflection images, a guideline is developed for designing deformable mirrors that do not have short-period deformation errors.     

On-line 3-D system for the inspection of deformable parts

In spite of the development of automated tolerance inspection systems for manufactured parts over the years, there are still processes that inevitably require manual intervention making full automation impossible in most cases; in particular when dealing with deformable parts. In most current industrial inspection systems, a deformable part under inspection must first be mechanically constrained on a rigid support or jig so as to be able to compare it with its nominal shape. This paper presents a new system to perform real-time surface inspection of deformable parts that does not require fixturing. Instead, the proposed system applies virtual forces to the part??s CAD model as if the part was installed in the fixturing device. Normally, a precise finite element method (FEM) simulation should be used to approximate the deformation that appends when the part is installed in the device. Even with a fast parallel computer, FEM is far from being real-time and cannot be used for on-line inspection. In the proposed system, a radial basis function approximation of the FEM simulation is trained off-line and used to speed-up the simulation by an order of magnitude. Experimental evaluation of the proposed system is presented for three plastic parts. Using the proposed scheme, an approximation of 0.25?mm compared with the real deformation was obtained. In this paper, statistical results are presented such as the average deviation, standard deviation, and processing time between the approximations obtained with the proposed method and with the finite element method applied to the full CAD model.     

内部裂纹对轧辊振动特性影响的研究

建立了含内部裂纹轧辊的有限元模型,计算了轧辊的固有频率,分析了轧辊内部裂纹对轧辊固有频率的影响规律,为探索通过振动特性识别轧辊的裂纹损伤提供了依据.