离轴非球面CGH高精度检测技术

为了实现离轴非球面高精度定位、光路对准及面形检验,针对离轴非球面的特点,提出了一种使用CGH技术实现离轴非球面高精度光学检测的方法,将被检非球面倾斜平移后作为轴上自由曲面进行     

利用曲面计算全息图进行非球面检测

研究了利用曲面计算全息图进行非球面检测.分析了曲面计算全息图的衍射特性,给出了曲面计算全息图与传统检测方法相结合检测凹非球面和凸非球面的原理及特点,并进行了具体设计.利用激光直接写入设备,在口径为110mm、曲率半径为504mm的曲面基底上制作出了计算全息图,并对金刚石车床车削的凸面非球面进行了检测.利用两步测量法解决了凸非球面的中心部位难以检测的难题,同时利用旋转相减法消除了调节误差,非球面的面形精度为234nm(P-V),与金刚石车床的精度相符.     

矩形离轴非球面反射镜的数控加工

针对离轴TMA结构空间相机中使用的两块离轴非球面反射镜的加工过程,提出了一种新型的矩形离轴非球面的最接近球面半径的求解及其优化方法,并且开发了基于计算机虚拟加工技术的CCOS工艺参数计算方法.被加工工件分别为165mm×100mm的矩形凸面离轴非球面和770mm×200mm的矩形轻量化凹面离轴非球面,设计精度分别为任意100mm,200mm子孔径面形精度优于0.025λRMS(λ=632.8nm).经检验,工件的加工精度满足了设计要求,分别达到了0.023λRMS和0.013λRMS.     

高精度离轴凸非球面反射镜的加工及检测

为了提高离轴凸非球面反射镜的面形精度和光轴精度,研究了离轴凸非球面反射镜的加工与检测技术。首先,描述了离轴三反消像散(TMA)光学系统以及作为该光学系统次镜的离轴凸非球面反射镜的光学参数和技术指标。然后,介绍了非球面计算机控制光学表面成型(CCOS)技术及FSGJ非球面数控加工设备。最后,给出了非球面研磨阶段检测用的轮廓测量法和离轴凸非球面抛光阶段检测用的背部透射零位补偿检测法,并对背部透射零位补偿检测中离轴凸非球面反射镜光轴精度的控制技术进行了研究。检测结果表明:采用背部透射零位补偿检测法检测得到的离轴凸非球面反射镜的面形精度为0.017λ(均方根值,λ=0.632 8μm);用Leica经纬仪测量反射镜的光轴精度其结果达到9.4″,满足光学设计技术指标要求。     

用计算全息图校正非球面的畸变

针对用计算全息图(CGH)对非球面进行检测时出现的非对称畸变,分析了3种基本的畸变模型,提出了一种有效的校正非对称畸变的方法.该方法采用较少的拟合参数即可实现对非对称畸变的精确校正,从而可以较大程度地减少畸变校正所需要的数据点对,避免过度拟合效应.通过光学仿真模拟分析了整个干涉仪系统的畸变,并利用以上方法对畸变进行了校正.仿真结果显示,畸变校正的相对残差小于0.2％.最后,设计并制作了处于离轴工作状态的CGH,并用此CGH对非球面进行了检测.利用上述畸变校正方法对测量的非球面面形进行校正,并用校正之后的结果进行加工迭代,最终非球面面形的收敛精度达到1.8 nm(RMS),得到的结果验证了提出的畸变校正方法的可靠性.     

离轴凸非球面的Hindle检测

采用Hindle球方法检测凸非球面是人们常用的经典方法之一,此方法的优点是检验精度高、操作简单.为了解决经典Hindle球检验离轴凸非球面所需的Hindle球口径过大的问题,提出采用离轴Hindle球检验离轴凸非球面的方法.此方法中,Hindle球使用在离轴状态,通过旋转离轴凸非球面达到检验整个待检面的目的.此方法可以大大减小Hindle球的尺寸,从而间接增大了待检离轴凸非球面的尺寸.本文同时对此方法的测量精度进行了理论分析.     

离轴非球面数控抛光路径的自适应规划

根据质点系平衡的加权平均思想,提出了一种新的适用于离轴非球面数控抛光的路径规划方法。根据影响抛光结果的因素,给出了权因子的组成元素及其计算方法,包括常数,加工残差分布以及离工件边缘的距离。给出了权因子间影响系数的粗略确定方法。对一组面形数据进行了虚拟加工,与常规的X-Y直角坐标系型加工路径相比,面形均方根收敛率从0.36提高到了0.62,其它各项数值的表现也均优于常规方法。最后,对算法中的一些问题做了简要的说明和讨论。方法原理简单,效果显著,满足实际使用要求。     

大口径SiC离轴非球面的高效磨削加工

研究了空间遥感器用大口径SiC离轴非球面的超声复合磨削加工工艺。分别对磨削原理、金刚石砂轮结合剂选择、机床选取、磨削参数设定等进行了分析,并设计和规划了磨削工艺流程。基于逆向工程原理建立了高精度离轴非球面模型,创立了激光跟踪仪精磨阶段在线测量大口径离轴非球面的工艺。结合工程实践对一口径为700mm×700mm的SiC高次离轴非球面元件进行了逆向工程建模和超声磨削加工试验,并利用激光跟踪仪进行了在线检测。经过3个周期(每个周期4h)的修磨,其面形精度PV值和RMS值分别由45.986μm和7.949μm收敛至12.181μm和2.131μm;与三坐标测试结果进行对比,其PV值和RMS值的偏差分别为0.892 3μm和0.312 8μm。实验显示,提出的磨削工艺实现了大口径SiC离轴非球面的快速精确磨削,其加工精度、效率以及表面质量都有了很大的提高。     

Coordinate transformation machining of off-axis aspheric mirrors

Off-axis aspheric mirrors are kernel components widely applied in various fields. The off-axis aspheric mirrors with large ratio of sag height to diameter are increasingly employed in many cases for smaller system and better optical performance. Slow slide servo-machining is one of the most currently efficient methods used to fabricate the off-axis aspheric mirrors. However, it is still difficult to machine off-axis aspheric mirrors with large ratio of sag height to diameter. This paper analyzes failure reason in a normal angle, including angle and tool oscillating range. The coordinate transformation machining is proposed to make the machining feasible by reducing the ratio of sag height to diameter. The cutting path is accurately designed by the coordinate transform. Freeform prisms are experimentally machined to prove that the proposed method also works well for complex surfaces.     

应用双摆动技术加工离轴碳化硅反射镜

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺。介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响。建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较。给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性。应用双摆动技术加工了一个224mm×108mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633nm)。因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展。     

Manufacture of SiC off-axis aspheric mirrors by double-swing method

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺.介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响.建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较.给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性.应用双摆动技术加工了一个224 mm× 108 mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633 nm).因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展.     

A new approach to characterising aspheric surfaces

In this paper, a new approach to fitting aspheric surfaces in three-dimensional space is proposed, based on the nonlinear least-squares algorithm. For the conditions tested, there are good indications that this method provides better results than conventional solutions as all the surface parameters can be estimated simultaneously based on the design equation, thus allowing the result to be directly compared to design parameters. Conventionally, aspheric surfaces can be fitted with simplified surface models, such as a second order surface or polynomial model. Using this approach the estimated parameters cannot be compared with the design values, breaking the link between the designed and measured surface. The new method is developed here and tested on computer simulated aspheric surfaces. Both ideal surfaces and surfaces with random irregularities are considered. Issues regarding the application of the fitting method to real measured surfaces are discussed.     

一种快速检测非球面面形的新方法

目前非球面面形的检测方法大部分复杂且费时。介绍了在干涉测量法的基础上利用ZYGO干涉仪的波面相减功能,用波面相减的方法对非球面面形进行测量。利用Matlab软件进行程序设计解决该方法中对理想非球面的Zernike系数计算的关键技术,并验证了程序的正确性。这种方法达到直接检测的目的,缩短检测时间和成本。     

干涉法实时测量浅度非球面技术

提出了一种干涉实时检测非球面的新方法,该方法无需补偿器,CHG等辅助元件就能实现对浅度非球面的测量。对非球面度较小的非球面,直接利用标准球面镜作为参考表面,通过数字干涉仪可以测得全孔径位相分布,将所得的数据剔除参考球面波相对理论非球面的偏差,并运用最小二乘拟合求得机构定位误差,消去此误差,从而能够获得真实的面形信息。利用该方法对一口径为350mm的浅度双曲面进行了测量,通过数据分析和处理得到面形误差的PV值和RMS值分别为0.387λ 和 0.048λ ( =632.8nm)。并将该结果与零位补偿的检测结果相比较,两面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.033λ 和 0.006λ 。说明该技术对检测浅度非球面是切实可行的。     

大口径高次、离轴非球面干涉测量中投影畸变的标定方法

提出了运用干涉仪的Fiducial功能确定干涉仪CCD的测量坐标系与非球面镜面坐标系的对应关系,然后对两者关系进行正交化拟合,从而标定出非球面干涉检验中的投影畸变,并用于某高次、离轴非球面进行干涉检验中的投影畸变标定,拟合精度为1.964 53μm.根据标定结果对干涉测量面形图重构,进行了数控抛光实验,最终面形精度达到均方根值λ/20(λ=0.632 8 μm),证明拟合精度完全满足数控抛光的要求.