应用旋转法实现大口径非球面反射镜零重力面形加工

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工,建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍,并结合一块Ф1290mmULE材料的非球面反射镜加工实例,分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法,实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1mm。然后,在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理,主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS;同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大,进行了针对性去除,面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后,采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工,反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS,去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS,该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径,还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。     

大口径非球面组合加工技术

摘要：为提高大口径非球面光学反射镜研磨与抛光阶段的加工效率,提出了采用多磨头组合加工方式同时提高材料去除效率和面形收敛效率的方法。该方法以矩阵运算为基础,在一次优化过程中同时对多个加工循环进行优化,将传统的单去除函数驻留时间求解过程进行扩展,实现多去除函数的综合优化求解。扩展了驻留时间求解范围,使大磨头和小磨头在加工过程中优势互补,实现多个磨头多个加工循环的全局优化。本文采用计算机虚拟加工的方法,对等厚和实际加工中的面形误差进行加工模拟分析,结果表明：与传统的驻留时间求解算法相比,在加工效率提高了50%的同时,RMS收敛率达到与小磨头相当。使用实际面形仿真加工结果RMS由0.0115变为0.0044,收敛效率为0.6212,满足实际加工要求。该技术可以有效缩短加工周期,具有很强的实用性。     

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。     

离轴三反空间相机主三镜共基准一体化结构

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点,提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板,以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分,故降低了结构整体重量,提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测,结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ,均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试,测得一阶模态频率为48 Hz,对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz,满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中,通过分时对主镜和三镜进行加工,省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间,加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率,为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。     

对于非球面度较大的非球面光学零件的加工方法

在特种光学加工中，对于非球面度较大的非球面零件加工，无论是铣磨还是抛光。都存在一定难度，特别是在最大非球面度处有较小拐角的非球面零件，铣磨时磨轮由于加工轨迹在拐角处的突变，易撞掉或撞碎零件，而抛光时在具有较小拐角处更难以抛亮，同时也增大了修抛难度。本文针对此问题，以加工非球面Si单晶为例，在保证有效口径情况下，通过在该透镜的最大非球面度处(或附近某点处)作切线至透镜口径处的加工方法，使光洁度得到有效改善，同时进行面形修正补偿，使非球面面形最大偏差(Rt)达到1μm以下。     

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.     

大口径非球面反射镜误差分离组合加工技术

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾,提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先,分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后,比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后,根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点,将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差,使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略,有效提高加工效率。结合工程实例,对一块口径为2.04m的非球面SiC反射镜进行了加工试验,单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明,高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高,达到了良好的效果,满足加工需求。     

一种大口径反射式非球面光学系统的装校方法

叙述了一种大口径反射式非球面光学系统的装校方法。同时,对非球面主反射镜的单独装配检验也作了简要叙述。     

全频段亚纳米精度氟化钙材料加工

考虑用CaF_2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标,本文研究了CaF_2材料加工工艺的全流程,以实现CaF_2材料的全频段高精度加工。首先,利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF_2元件有较好的面形和表面质量。然后,优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数,并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF_2元件的高频误差,逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。最后,在不改变CaF_2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明:其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39nm,Zernike残差RMS值为0.43nm,高频粗糙度均值为0.31nm,实现了对CaF_2元件的亚纳米精度加工,为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。     

光学镜面离子束加工的可达性

提出了离子束加工可达性问题的理论描述和定义,分析了驻留函数解的存在条件,进而分析了采用不同直径的离子束去除不同频率面形误差时额外去除量的大小,最后进行了仿真验证。分析结果表明,对于高斯型的束函数,驻留函数解总是存在的。但是面形误差频率越高,驻留函数解越大,去除面形误差时去除的额外材料越多。额外的材料去除量随着离子束径和空间误差波长之比(d/λ)的增加而指数增加。当d/λ=0.5时,额外材料去除量为15%,还是可以接受的;当d/λ=1时,额外材料去除量迅速上升到73%,该值即很难被接受。理论分析和仿真结果表明,为了优化加工过程,d/λ应该＜0.5。     

空间三反相机调焦范围的确定

为了提高空间相机对温度的适应能力,改善相机成像质量,研究了如何通过调焦放宽相机的热控指标,降低相机热控难度的问题。推导出了纯反射离轴三反光学系统中后截距及相机受温度影响下焦面离焦的数学公式;分析证明了相机离焦量与温度变化是线性关系,并计算得到了常数项K值。计算显示,当反射镜材料的线胀系数与相机支撑框架材料线胀系数一致时,焦面不产生离焦;而两种材料线胀系数差距越大,离焦量就越大。利用离焦传递函数公式证明了当相机温度水平变化超过±1℃时（对应离焦量0.05mm）,就必须采用机械调焦的方法对其加以补偿;利用光机热集成仿真的方法,得出保证相机成像质量的温度范围Δt,完成了从光学指标到温度指标的转换。利用离焦公式,得出了相机的调焦范围。最后,在热真空环境下试验验证了上述焦面离焦的数学公式及相机温度水平变化±4℃时离焦量为±0.184mm是相机合适的调焦范围。     

双向大视场消畸变低温红外目标模拟光学系统设计

为了选择合适的低温红外目标模拟光学系统,针对国内现有离轴三反射光学系统多存有弧矢视场较大,子午视场很小的问题,本文基于光学系统对称性法则,设计了子午和弧矢都为5°,波长为3～5μm的矩形双向大视场离轴三反系统,其焦距为400mm,F#为8。利用光学系统结构参数和反射镜的非球面系数,调整三镜的偏心及倾斜来消除畸变及其它像差,系统光学传递函数在6.5lp/mm时优于0.71,全视场均方根波像差达到λ/250,均方根最大弥散斑半径不超过7.0μm,达到衍射极限。另外,系统在各个谱段全视场范围内的最大畸变量小于0.04%。设计的系统可用于红外及可见波段,成像质量均良好。     

光学非球面检测平台误差补偿

根据光学非球面检测平台结构,建立了误差补偿数学模型.用激光干涉仪检测三轴定位误差和直线度误差,采用最小二乘法拟合出多项式系数,得到误差曲线,叠加后实现了误差补偿.测量出3个运动坐标轴两两之间的垂直度误差,采用坐标旋转完成误差补偿.利用机构误差的分析和检定技术,完成非实时误差的补偿.利用标准球做了对比试验.结果表明,经误差补偿后的非球面检测平台精度明显提高.     

应用聚焦离子束/电子束技术的碳纳米管探针制备工艺研究

提出利用电子束诱导铂沉积和聚焦离子束铣削技术,实现碳纳米管原子力显微镜探针针尖的制备和结构优化研究。结合高分辨率扫描电子显微镜观测和纳米操纵仪,利用电子束诱导铂沉积实现碳纳米管固定到普通原子力显微镜探针末端,可实现直径小于10nm的纳米管探针制备。提出基于聚焦离子束铣削和照射技术实现对纳米管针尖的长度、角度的精确调控优化,纳米管探针的角度调控精度优于1°。     

大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。     

离轴三反航天测绘相机焦距的计算

为了精确计算离轴三反相机的焦距以保证其测绘精度,对经典测绘模型和相关公式进行了必要的修正。首先,重新定义了离轴三反测绘相机的交会角,并对经典焦距计算公式做了修正;其次,分析了地球曲率对离轴三反测绘相机焦距计算的影响,进一步修正了焦距计算公式。实例计算表明:当要求地面像元分辨率为2m,在CCD像元尺寸为8μm,轨道高度为700km,离轴角为7°条件下,应用经典计算公式得出的斜视相机焦距与应用修正后的计算公式所得出的斜视相机焦距相对偏差达到2.6%,说明对测绘精度影响很大。因此,在采用离轴三反相机进行摄影测量时,斜视相机焦距的计算应考虑离轴角后对经典公式进行必要的修正,而正视相机的焦距计算可以沿用经典计算公式。     

数控非接触式超光滑光学元件加工机床的设计

基于数控技术,提出了一种非接触式光学元件表面超光滑液体抛光方法。通过磨头中心孔为抛光表面提供抛光液,抛光液在磨头自转的带动下与光学元件表面相互作用,实现光学元件表面材料的微量去除,利用计算机控制抛光磨头的运动轨迹完成对光学元件表面的抛光。根据上述原理,设计和研制了数控非接触表面超光滑光学元件加工机床样机,样机直线运动轴最低进给速度为0.0001m/s,定位精度为0.008mm;摆动轴最低转速为0.0028r/min,定位精度为15″。抛光实验结果表明,经过20min的超光滑加工,熔石英材质光学元件上两点的表面粗糙度R_a值分别由加工前的1.03nm和0.92nm提高到加工后的0.48nm和0.44nm,显著提高了加工精度。