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Ф1 290mm ULE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。     

大口径高陡度离轴非球面精磨阶段的数控加工

对大口径高陡度离轴非球面的数控加工过程中遇到的矢高变化率太大、磨头去除特性改变等技术难题进行了深入细致的研究,并提出了相应的解决方法。首先,通过坐标变换降低高陡度离轴非球面的矢高变化率;然后,给出了磨头沿非球面的法线方向进行数控加工的具体实施方法;最后,对轮廓检验的结果进行修正,使之在法线方向投影,从而使数控加工能更加准确有效地控制面形误差收敛。给出了数控加工实例,精磨阶段达到面形精度PV:10.502 8 μm,RMS:0.829 3 μm。结果表明,提出的方法在工程中完全可行,并有较高的收敛效率。     

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。     

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。     

基于眼模型的非球面眼底荧光相机的设计

运用非球面光学理论,设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式非球面眼底荧光相机。该相机根据滤光片选择原则,选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统进行光谱滤光;为避免角膜中心较大曲率引起的杂散光,采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式实现眼底均匀照明;摄影系统中引入眼模型结构,综合校正了人眼及系统的像差,实现了全视场20×106pixel的高清晰成像。该摄影系统包含有2个非球面结构,使系统由9片镜结构简化为7片镜结构。实验结果表明,该相机具有较大的调节能力,对-12～+12m-1的人眼普遍适用,其视场角为30°,像面成像分辨率为120lp/mm,畸变值3.9%。非球面光学元件的使用,有效地简化了系统,减小了系统体积和重量,提高了成像质量。     

基于环形子孔径拼接法检测非球面研究

介绍了基于点衍射干涉仪的环形子孔径拼接检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,相对传统非球面检测方法,这种方法可以有效避免高精度补偿器件的使用,它通过不同曲率半径的球面波前来匹配被测非球面的不同同心环带区域,然后通过拼接算法重构整个非球面表面。在对一非球面的仿真测试中,测量的PV值为λ／131,RMS值为λ／830（工作波长为632．8nm）,试验表明：该算法是切实可行的,具有较高的精度。     

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.     

基于PWM的柴油机共轨式电控系统

采用脉宽调制信号对二位三通高速电磁开关阀进行驱动控制,能够灵活地对喷油量、喷油正时进行控制,采用PWM控制方式对柴油机共轨式电控系统进行控制。主要分析了柴油机共轨式电控燃烧油喷射系统关键部件——高速开关电磁阀的结构、PWM控制原理,以及由电控单元所产生的脉宽调制信号控制下的高速开关电磁阀动态响应特性。     

一种基于远场涡流的管道大面积缺陷定位检测方法

在管道大面积缺陷的远场涡流检测中,由于远场涡流信号两次穿透管壁,远场涡流检测信号会两次出现对应于缺陷的特征响应,第1次响应为峰值信号,第2次响应为伪峰信号。峰值信号可实现管道检测处缺陷的正确定位与定量,而伪峰信号会在管道检测处造成错误的缺陷评估。并且,伪峰信号因为缺陷的形状、大小以及检测线圈尺寸而各异,对于缺陷定位、定量分析的影响亦不同。为了去除伪峰信号,首先采用同轴双接收线圈来获取具有时移关系的2个涡流检测信号,并校正2个检测信号由于检测位置以及其他因素造成的差异;然后,采用维纳去卷积滤波器滤除噪声并移除伪峰信号;最后,通过基于远场涡流的双接收线圈检测仪器,测试具有缺陷的管道。测试结果表明,该方法可行,具有很好的实用性。     

基于谱分析的30m望远镜三镜支撑结构地震分析

为了满足30 m望远镜 （TMT）三镜系统（M3S）对抗震性能的要求,对在返回周期为200年和1000年的地震载荷条件下的三镜支撑结构的性能进行了分析。首先,根据三镜支撑结构的特点,对TMT整体的地震响应谱进行了修正,得到了适用于三镜支撑结构的地震响应谱。然后,分析了三镜支撑结构在不同等级地震激励下的位移、应力和加速度响应。分析结果显示,当返回周期为1000年的地震从水平面内两个正交方向及竖直方向同时传递到三镜支撑结构中时,系统响应最大;此时,三镜支撑结构中各部件的最大加速度为2.844g,最大位移为1.544 mm,最大应力为552.316 MPa,三镜上最大应力为1.401 MPa。根据材料力学性能可知,侧支撑杆会发生破坏,需要采取地震防护措施对三镜进行保护。本文在进行谱分析时较完整地考虑了各项因素,结果数据精确可靠,可为三镜系统的详细设计提供指导。