异形口径离轴非球面光学加工与测试技术

针对离轴非球面制造的难点,研究分析了碳化硅非球面尤其是异形离轴非球面加工和检测的各项关键技术。首先利用加工中心DMG 对离轴非球面进行了铣磨和表面成形,然后运用实验室自行研制的非球面加工中心FSGJ-2 对离轴非球面进行了研磨和抛光,最后利用离子束对其进行了精抛光,并分别利用三坐标测量仪和激光跟踪仪对非球面进行面形轮廓测定和光学参数及几何量的精确控制。结合工程实践对一口径为600 mm270 mm 的类八角形离轴碳化硅非球面反射镜进行了超精加工与检测,并专门设计研制了光学补偿检测装置,对其进行了零位补偿干涉测量,其最终面形PV值为0.219 ,RMS 值为0.018 。     

八角形离轴非球面反射镜加工

为了加工出高精度八角形离轴非球面反射镜,对离轴非球面反射镜的数控加工和检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ非球面数控加工中心,对数控加工过程中小磨头的运动方式和运动轨迹进行了研究,阐述了离轴非球面反射镜研磨阶段的轮廓测量方法和抛光阶段的零位补偿检测方法,采用数控加工方法对一块八角形离轴非球面反射镜进行了加工。最终的检测结果表明,八角形离轴非球面反射镜的面形精度均方根值为0.018λ（λ=0.6328μm）,满足光学设计技术指标要求。     

一种实现离轴非球面反射镜离轴量和离轴角精确测量的方法

离轴三反系统的装调主要采用初始定位与计算机辅助装调相结合的方法,实际加工过程中由于检测手段的限制,使得离轴量以及离轴角的控制精度较低,根据加工提供的离轴量参数并以其背部平面为基准进行反射镜初始定位会引入较大的初始像差,用计算机辅助装调无法收敛。基于自准直原理,进行反射光路分析,得出离轴反射镜位置与反射像位置的数学关系,并基于以上数学关系提出一种可精确测量离轴反射镜离轴量以及离轴角的系统,该系统包括高精度90°直角弯板、高精度直线导轨、中心定位特种工装、内调焦望远镜以及测微光管,其测量离轴量以及离轴角的精度分别为±0.05mm和±10″。     

三角机加工大口径离轴抛物面技术

为了实现大口径非球面镜的加工,设计制作了三角机加工中心,该加工中心具有三工位设计。基于该加工中心提出了一套非球面镜加工模型,每个工位只需利用两个转动轴即可实现大口径非球面镜的遍历加工,同时加工工位与检测工位可以互换,节约成本的同时提升加工效率。为了验证加工模型的可行性,结合工程实例,利用该加工中心对一口径为1 450 mm的离轴抛物面SiC反射镜进行了加工,实验结果表明,经过一轮迭代加工后,反射镜面形结果由PV 4.653m、RMS0.4097m收敛到PV 3.585m、RMS 0.2581m,RMS收敛达37%。验证了模型的精度及可行性。     

大口径非球面铝反射镜三轴联动加工技术研究

为解决单点金刚石车削技术（single-point diamond turning,SPDT）应用于大口径大弦高非球面铝反射镜加工中遇到的车床导轨行程、工作台回转容积受限和加工质量较低的问题,针对φ682 mm口径、弦高220 mm的凹非球面铝反射镜加工,首先,提出基于SPDT的三轴联动加工方法,在两轴加工基础上加入旋转B轴进行协同加工,使得导轨行程和工作台回转容积能够满足加工需求。然后,设计专用笼状夹具,并通过有限元法研究支撑杆数量、杆径、上下连接板厚度参数对夹具-工件形变特征的影响,通过极差和方差分析研究不同因素对夹具-工件最大变形量影响的显著性,得到一组最佳夹具设计参数组合,即夹具支撑杆数量为24,杆径为22 mm,上下连接板厚度为25 mm。最后,将铝反射镜固定在优化后的笼状夹具上,通过三轴联动加工实现了对φ682 mm口径非球面铝反射镜的加工。对调刀件的检测结果表明:调刀件面形精度P_v值为0.6 μm,表面粗糙度R_a约为10.1 nm,可认为φ682 mm口径非球面铝反射镜的面形精度和表面粗糙度均达到使用要求。本研究能够为同类大口径大弦高非球面反射镜的加工提供一定的理论基础和加工工艺技术参考。     

大口径离轴非球面制造技术--研磨、抛光技术

大口径离轴非球面的研磨，抛光技术与计算机控制水平，机械设计能力等相关领域的发展密切相关，美国Itek公司的W.J.Rupp于20世纪70年代初首先出计算机控制非球面加工技术思想，从而开创了非球面元件的数控制造的新纪元。随后以数控机床为基础设施发展了多种研磨、抛光技术、大幅度提高了非球面加工的确定性和面形收敛高效性。     

轻量化碳化硅反射镜古典光学加工研究

介绍了一类轻量化碳化硅反射镜的古典光学加工方法。其中精磨阶段,应用金刚砂和碳化硼分别对镜体进行了精磨试验。结果表明,在相同精磨时间下,碳化硼散粒磨料（240#）的磨削量至少比金刚砂散粒磨料大0.01 mm,切削效果明显优于金刚砂散粒磨料,并形成载荷50 N,主轴转速45 r/min的精磨最佳工艺参数;抛光阶段,以柏油抛光模为基底,分别使用氧化铈抛光液和钻石液对镜体进行抛光,结果表明钻石液可有效改善零件的面形和表面质量,并形成载荷为30 N,主轴转速为60 r/min的抛光最佳工艺参数。分别使用W1和W0.3两种粒度的钻石液对镜体抛光,可使镜体面形最佳达到低光圈3道,表面光洁度良好,无明显路子与亮点。由于镜体结构的特殊性导致其抛光难度较大,继续应用环形抛光机对镜体进行无应力抛光,修改镜体局部不规则度,最终零件不规则度可满足1道光圈。     

大口径SiC反射镜的焊接加工和测试

SiC是目前空间用大口径反射镜的首选材料,随着空间光学系统的发展,出现了1m以上空间用SiC反射镜的需求.对该反射镜采用焊接拼接然后再进行加工可以节约成本,降低风险.作为演示实验件,首先,对直径为600mm的焊接SiC反射镜进行了焊接拼接,粗磨成型、精细研磨和粗抛光.然后,采用CCOS技术对反射镜进行了精抛光,并分析了...     

大口径凸非球面反射镜子孔径拼接检测

为了获得大口径凸非球面反射镜全口径的面形,提出了利用子孔径拼接检测大口径凸非球面的新方法。利用干涉仪标准球面波前依次干涉测定大口径镜面上各个区域的相位分布,通过子孔径拼接算法即可求解得到镜面全口径面形信息。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了大口径拼接检测算法的数学模型,设计并研制了大口径反射镜拼接检验装置。结合实例对一口径为260 mm 的碳化硅凸非球面反射镜进行了9 个子孔径的拼接干涉测量,并将拼接检测结果与全口径面形测量结果进行对比,两种方法测量面形PV 值和RMS 值的偏差分别为0.043和0.021（=632.8 nm）。     

小口径非球面检测的方法

在分析各种传统检测方法的基础上,研究了小口径非球面的检测方法,给出了设计实例,实现了非球面曲面的光学检测,满足了非球面曲面在工程中的应用。     

大相对孔径凹非球面镜的加工

过去一直采用平行光管来加工和检验大相对孔径凹球面的方法,存在许多不足之处,如加工精度不高和加工周期长等,现在我们采用补偿法,则可以在较短的时间内获得高精度的凹非球面,其精度可达λ/20（rms）,经过长期的实践,已充分证明了这种方法是可行的。     

用于非球面检验的激光直写高精度计算全息图制作

为实现高精度非球面的面形误差检测,对激光直写计算全息图(CGH)的关键技术进行研究。以获得最小线宽偏差为目的,通过基础工艺实验,探究离焦量对光刻胶上线宽的影响;研究湿法刻蚀过程对不同线宽引入的展宽规律;分析线宽误差与位置误差关系,得到CGH不同周期位置误差引入的波前误差。根据实验结果,制作最小线宽1.8 mm,直径80 mm的振幅型CGH。检测结果表明,波前误差均方根值为0.011l,达到l/100量级,可用于高精度非球面的检测。     

用于非球面测试的位相型计算全息图制作

本文对计算全息图元件的设计和制作成算法和软件,研究了采用高速电子束直写系统制作大面积、非周期性复杂光刻图形技术,在此工作的基础上,采用湿法腐蚀铬、感应耦合等离子体刻蚀石英玻璃两步图形转移的方案,制作出了图形区直径为64 mm、最外环线条宽度为2.0μm、刻蚀深度为690 nm的位相型计算全息图元件,并对加工结果进行了测量.结果表明,本方案所制作的计算全息图元件具有良好的加工质量,符合应用的需求.     

非球面镜补偿器的支撑结构设计

为了折叠光路、减小系统像差,空间遥感器的光学系统经常需要使用非球面镜。在非球面镜的光学检测中,补偿器的支撑结构是不可缺少的设备。在定义补偿器的自由度和坐标系的基础上,结合补偿器在非球面镜检测光路中的位置和作用,分析了调节补偿器需要的自由度。基于自由度分析结果,确定了支撑结构应实现的功能和结构形式。论述了一种支撑结构的结构设计,并给出了该支撑结构的调节精度分析结果。分析结果表明,该支撑结构的位移调节精度为1.4 μm/deg,角度调节精度为0.007 μrad/deg。实际的工程应用表明,该支撑结构能满足使用要求。     

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。     

部分端面抽运板条激光器腔镜倾斜问题研究

部分端面抽运的板条激光器是一种新型固体激光器．配合混合腔可以实现在大功率下保持高光束质量的激光振荡输出。谐振腔的腔镜倾斜是影响激光器输出特性的重要因素，快速傅里叶方法是一种快捷有效的计算方法，利用此方法模拟了腔镜倾斜对近场相位分布和远场光强分布的影响，并分析了光束质量的变化。理论分析表明，腔镜的小角度倾斜对近场相位影响较大，但对远场光强空间分布影响不大；随着倾斜角度不断增大，远场发散角和光束腰宽度也增大，光束质量虽然存在恶化的趋势，但光束质量因子肝值仍然较小，离轴非稳腔仍能保持高光束质量的输出。     

大口径望远镜主镜中心定位机构研究

通过对大口径光电望远镜中主镜中心定位机构的研究分析,设计了一种胀紧圈球头形式的中心定位机构,指出了其优缺点和在望远镜中适合应用的口径大小以及工况要求.定位机构在望远镜主镜支撑结构中,实现了主镜在垂直于光轴方向的平面内的有效定位,并且与主镜底支撑和侧支撑联合作用,承担部分主镜的载荷,保证了主镜的面形精度.同时,定位机构还...     

利用曲面计算全息图进行凸面非球面检测

基于曲面计算全息方法，设计了检测大口径凸面非球面的干涉仪，其精度可优于λ/30(P-V值)。研究了利用激光直写设备在曲面基底上制作全息图的方法，由于全息图的线宽变化较大，采用刻线的两边精确写入、中间螺旋线写入快速填充的策略，有效提高了写入精度和效率。在口径110mm、曲率半径500mm的曲面基底上，制作出了全息元件。利用自制的干涉装置，对用金刚石车床车削成的、口径100mm的凸面非球面进行了检测，非球面的精度为0．8λ(PV值)，检测结果与车床的精度吻合很好。