大型非球面能动磨盘精磨技术

计算机控制能动磨盘加工技术是集传统加工技术、能动技术和数控技术为一体的大型非球面光学元件先进制造技术。基于Preston方程，通过对能动磨盘结构的研究，建立了工件的能动磨盘磨削函数；分析了能动磨盘分别位于工件中心孔和外缘处产生的边缘效应，并建立相应的边缘效应函数；由此得到用于描述能动磨盘加工的数学模型。在该模型的指导下完成了Φ1 200 mm（F/1.5）非球面主镜能动磨盘精磨加工，实现了主镜面形误差的均方根值从4.5 μm（峰谷值26.8 μm）收敛到0.36 μm（峰谷值2.8 μm）。     

部分补偿数字莫尔移相干涉的回程误差消除

为了实现非球面面形误差的高精度测量,研究了基于部分补偿原理的数字莫尔移相干涉技术中回程误差的消除方法。通过建立实际干涉仪和建模理想干涉仪,并运用数字莫尔移相干涉技术,获得实际干涉仪像面与被测非球面面形误差相关的波前;分析了该测量系统的误差,提出采用逆向优化法消除大面形误差时的回程误差实现被测非球面的面形误差检测。实验结果表明:与轮廓仪结果比对,面形误差较小时二分之一法重构面形误差,峰谷值和均方根值分别优于/20,面形误差较大时运用逆向优化法消除回程误差,重构的非球面面形误差峰谷值和均方根值偏差均优于/5。基于逆向优化法的部分补偿数字莫尔移相干涉非球面检测,有效消除了大面形误差时的回程误差,可实现高精度的面形误差重构检测。     

能动磨盘加工与数控加工特性分析

能动磨盘加工(CCAL)与数控加工(CCOS)是大型非球面主镜加工有别于经典加工的两种新型加工工艺,针对这两种主镜加工工具,建立了各自的加工去除函数模型,从理论上分析了两者的加工特性,并在直径1300 mm非球面主镜加工实验的基础上,根据主镜面形ZYGO干涉仪和哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)传感仪的检测数据,利用功率谱密度(PSD)和相位梯度进一步探讨了这两种加工工艺对主镜面形中高频差的影响,提出了将能动磨盘加工与数控加工相结合的主镜加工工艺方法。     

采用单位激励与逆向复算的2 m平面镜检测技术

为解决Φ2 m平面镜高精度面形检测问题,并提高瑞奇-康芒检测方法的可靠性,研究了一种基于单位激励法与逆向复算的Φ2 m平面镜面形检测技术。分析了在气流扰动、球面镜面形等误差源对单位激励面形计算方法的影响;采用单位激励与光学软件逆向复算相结合的方式,提高瑞奇康芒-检测方法的可靠性。仿真分析2 m平面镜检测过程中气流变化对面形恢复的影响,结果显示:在气流影响情况下,经过多次平均计算面形解算稳定性保持在0.003λ;在球面镜面形影响情况下,面形计算精度达到0.0079λ。采用这种方法,对实际Φ2 m平面镜进行面形加工过程控制,面形检测结果显示该平面镜的RMS达到0.0415λ,PV为0.2040λ（λ=632.8 nm）。该研究旨在解决误差影响情况下大口径平面镜面形检测问题,对于实际镜面加工、检测具有重要的应用意义。     

一种超精密非球面在位测量方法

高面形精度非球面加工,离不开面形测量和误差补偿加工。离线测量容易导致工件装夹误差,并带来非加工时间增加。为解决这一问题,采用一种利用接触式的微小测头与激光干涉位移测量计相结合的在位形状测量装置,直接对磨削后的工件表面进行在位形状误差测量。介绍了该在位测量方法的原理及非球面测量过程,探讨了回转对称轴在半径方向的误差与测头倾角误差对测量误差的影响,并进行了补偿加工实验。对加工后的微小非球面进行了在位测量,并与超精密离线测量系统测量结果进行了比较。     

空间同轴三反相机φ520 mm次镜的加工与检测

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求,提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段,首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨,其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛,最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工;在检测阶段,首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制,进入干涉仪测量范围后,再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例,对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测,其面形精度RMS为0.015（=632.8 nm）,几何参数控制精度△R误差为0.1 mm、△K优于0.1%,满足光学设计技术指标要求。     

非球面面形精细重构方法研究

针对非球面反射镜在抛光初期干涉仪不能全口径检测面形误差的问题,提出一种三坐标测量机(CMM)和数字干涉仪组合测量以实现全口径波前复原的方法.将CMM与干涉仪测量数据组合,即面形误差以干涉测量为主,干涉检测不能复原的局部波前采用CMM测量数据进行精细重构,从而获得可用于数字化加工的全口径面形误差,并最终达到非球面镜全口径干涉检测.采用该方法对Φ为540 mm的离轴非球面反射镜在精磨后期进行数据组合补偿,成功实现了反射镜从精磨阶段到抛光阶段的全口径波前检测,从而证明了该方法对实现非球面镜全口径检测有效可行.     

GEO激光通信系统主镜组件优化设计

为保证GEO激光通信系统主镜的面形误差、主镜组件的结构刚度满足设计要求,需要进行主镜组件结构参数优化设计。由于组件的结构参数较多,为避免参数之间重复优化,提高优化设计效率,采用正交优化方法,用9种结构参数组合完成全部81种参数组合的主镜优化设计,保证了1 g重力、2℃径向温差分别作用时的面形误差RMS值满足RMS/50（=632.8 nm）的面形精度要求,并且改善了5℃均匀温升作用下的面形误差RMS值;在此基础上,进行了柔性支撑优化设计。仿真分析表明,主镜组件一阶频率为213 Hz,高于要求的200 Hz固有频率,主镜在1 g重力、2℃镜体径向温差和5℃均匀温升共同作用下的最大面形误差为10.78 nm,满足面形精度要求。经实验测试:5℃均匀温升的面形误差RMS值为7.27 nm,优于设计要求。优化设计为主镜组件的设计、加工、装校提供了技术支撑。     

光学非球面面形轮廓检测技术

随着科技的进步,尖端产品和先进光电系统对光学系统的成像质量要求越来越高,光学非球面元件能有效地校正像差、减少系统所需光学元件数量、减轻系统重量,因此被广泛应用。其特殊的面形特征决定了它的加工和检测相对于球面更加困难,而检测精度直接决定了加工精度,非球面检测技术的重要性显而易见。根据测量原理对光学非球面的检测技术进行了概述;根据目前直接面形轮廓法在光学非球面的加工中应用最广的情况,结合最新检测手段,重点介绍了非球面直接面形轮廓法测量技术;并介绍了近年来日益受到人们关注的自由曲面及面形轮廓法在自由曲面检测的应用;最后总结了光学非球面检测技术的现状和发展趋势。     

基于红外激光干涉仪的非球面面形测试技术研究

本文提出了一种基于红外激光干涉仪检测非球面面形的新方法,分为3个步骤:首先,利用红外激光干涉仪测量分析出非球面与标准球面之间的波像差;然后,根据非球面方程得出非球面与标准球面之间波像差的理论值;最后通过计算得出非球面的面形偏差。为验证这一方法的正确性和可靠性,采用ZYGO可见光干涉仪,使用补偿镜法测量了同一块抛物面反射镜的面形误差。结果表明,两种测量方法结果吻合。本新方法方便快捷,具有较强的通用性,可以用于非球面在加工过程中的面形测试。