大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。     

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。     

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法.该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化.首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型.文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000 Hz,轻量化率达到86.0％.得到的结果验证了本文方法的有效性.     

空间相机1 m口径反射镜组件结构设计

针对1 m口径空间相机反射镜的设计要求,提出了一种新的反射镜柔性支撑结构.以材料选择、径厚比、支撑点数量和位置、轻量化结构形式等为设计变量,以自重作用下反射镜面形精度rms值为目标函数,优化设计了一种背部开口、三角形轻量化孔、背部三点支撑的SiC空间反射镜结构,同时提出了一种反射镜柔性支撑结构.对反射镜在光轴水平状态下进行装调检测时影响反射镜面形精度的柔性支撑结构参数进行了灵敏度分析,找到了影响反射镜面形精度的结构参数.对反射镜组件动、静态特性和热特性进行了有限元分析,分析结果表明,光轴水平方向重力载荷作用下反射镜面形精度rms达到5.6nm,4℃均匀温升工况下反射镜面形rms为2.7 nm,反射镜组件一阶固有频率为192Hz.最后,进行了反射镜组件的动力学测试试验,测得反射镜组件一阶固有频率为197 Hz,最大响应应力为181MPa,验证了有限元分析的准确性.得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求.     

30m望远镜三镜镜面面形误差的斜率均方根评价

由于传统的均方根方法在评价大口径反射镜时难以精确表达光学表面的中空间频率误差,本文提出了基于斜率均方根(SlopeRms)的误差评价方法来评价光学表面面形。该方法先以Zernike多项式拟合光学表面面形,在此基础上求解不同空间间隔上的斜率均方根。这种评价方法可以很好地区分小尺寸磨削工具造成的误差和大口径反射镜在多点支撑下造成的面形误差。文中建立了SlopeRms的数学模型,推导了SlopeRms的计算方法,并以此方法为基础对30m望远镜(TMT)三镜面形进行了评价。结果显示,采用斜率均方根的评价方法得到的光学表面面形值达到0.9μrad,优于传统的RMS评价方法(RMS=115nm),满足设计要求。结果显示,基于斜率均方根的误差评价方法能更加全面和客观地评价大口径反射镜面形,具有实际意义。     

空间相机反射镜镜面面形处理

镜面面形误差是空间相机反射镜的重要指标之一,对空间相机反射镜结构的设计及优化具有重要的指导意义。为分析空间相机反射镜在各种工况下的面形误差情况,以球面镜为例,对镜面面形误差的计算方法进行了研究。采用三种不同的球面拟合方法对变形后的反射镜镜面进行球面拟合,并计算得变形后反射镜镜面面形误差的RMS值和PV值。最后,通过计算实例对三种面形误差计算方法进行了比较,结果表明三种计算方法精度均满足空间相机反射镜镜面面形误差计算精度要求(优于1nm),综合考虑计算精度及效率,高斯-牛顿法为最佳计算方法。     

空间长条形反射镜背部三支撑点的设置

采用背部三点支撑方式的空间光学遥感器长条形反射镜目前尚无普遍适用的支撑点设置方法,只能对某一确定尺寸和长宽比的反射镜进行专门设计。本文提出了基于规则模型的、以参数化模型为核心的集成参数化设计方法,并建立了长条形实体反射镜背部三点支撑集成参数化模型。在集成环境中通过试验设计、响应面分析等方法对设计参数进行了分析和优化,结果表明在轴向重力工况,镜面面形峰谷(PV)值优于λ/10(λ=632.5nm)的设计要求下,长条形碳化硅反射镜背部三点支撑的最大适用尺寸为1m。文中给出了最优支撑点布置,并确定了厚径比最优为1/10。最后,对集成参数化分析方法进行了精度分析,结果显示该方法整体误差为6.13%。提出的方法确定了空间长条镜背部三点支撑的适用范围,提供了支撑点最佳布置,为空间相机不同尺寸要求的长条镜设计打下了基础。     

大离轴量非球面反射镜的加工方法

为了改进大离轴量非球面反射镜加工方式,降低外界因素导致的反射镜面型误差,以及提高效率,本文基于慢刀伺服技术提出一种适用于大离轴量、且不受车床加工口径限制的刀具路径规划方法。以离轴反射镜坐标平移变换的方式,将镜面外边缘与车床主轴中心之间的距离控制在车床加工半径内,减少刀具离轴量和加工区域。坐标平移后的反射镜以主轴中心为原点,多个与之相同的反射镜均匀分布在圆周上,形成一种切削区和过渡区并存的离轴阵列样式。建立样条和正弦混合插值方程,以刀具在边缘切削点的Z向切削速度和切削加速度连续无突变为前提,补正过渡区刀具路径。最后通过实验分析证明:在整个加工区域,过渡区和切削区刀具路径平滑连续,Z轴和C轴平稳运行,加工精度达PV0.4波长@632.8 nm。通过坐标平移的方式,可以有效降低刀具离轴量,补正的刀具路径保证了车床的平稳运行,满足大离轴量的非球面反射镜加工,且一次加工可完成多个反射镜,加工精度和效率高。     

离轴抛物面的对比测量

采用离轴角度90°、口径1 inch的离轴抛物面作为样品,比对了传统零位干涉测量结果和非接触式3D非球面光学面形测量系统Luphoscan之间的差异。利用Zemax仿真了离轴抛物面六个维度的调整误差对测量结果的影响,分析了离轴量误差在两种完全不同测量过程中的表现形式,解决了Luphoscan测量结果可用性问题。根据仿真结果搭建动态干涉仪的零位检验干涉光路,建立了离轴抛物面的六个维度调节标准流程,可快速消除调整误差和离轴量误差,多次复现性测试结果达到了pv=0.135λ的精度。     

离轴抛物镜检测中调整误差对波前畸变的影响

对离轴非球面在光学加工和后期装调阶段的光学检测进行了研究,分析了检测过程中调整误差对波前畸变的影响.以加工半径为10 000 mm、二次曲面系数为-1、口径为500 mm、离轴量为425mm的离轴抛物面为例,建立了各个调整参数对波前畸变影响的物理模型及数学模型,调整误差主要包括俯仰与高低、偏摆与离轴量及绕其子光轴旋转3...     

Shape error measurement using ray-tracing and fringe scanning methods: projection of grating displayed on a liquid crystal panel

We present an improved Hartmann test, which has high spatial resolution with respect to the measuring points, for measuring projection mirrors. In the method, grid lines with a sinusoidal transmittance distribution are displayed on a liquid crystal panel and illuminated with a collimated laser beam. The beam transmitted through the liquid crystal panel reflects off the mirror surface being tested and reaches a screen. A charge-coupled device camera detects the projected images, which contain information about the inclination of the surface being tested. Any error in the shape of the mirror surface is identified by integrating the inclination. To increase the spatial resolution, the fringe scanning method is performed by shifting the grid lines on the liquid crystal panel. The grid lines are optimized for the shape of the mirror being tested. Because the grid lines are displayed by an electrical method, the shifting operation is easy and rapid, and furthermore, the displacement can be done precisely. The shape error of an off-axis parabolic mirror made of plastic is measured by the proposed method.     

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。     

空间遥感器大口径反射镜的复合支撑结构

针对空间遥感器反射镜对支撑功能的需求,设计了一种应用于空间领域的大口径反射镜复合支撑结构。该复合支撑结构包括A框加切向拉杆的周边支撑和3组whiffletree结构组成的背部支撑。研究了复合支撑的支撑原理和工程实现。基于功能分配和指标分配的理念设计了复合支撑结构。采用有限元分析的手段对设计结果进行了静力学和动力学仿真验证,然后对实际的支撑系统进行了相关的试验测试。试验结果表明,采用复合支撑的反射镜组件在工作状态下的面形精度优于λ/50(λ=632.8nm),镜体刚体位移小于0.01mm,镜体转角小于2″,质量小于50kg。整个组件模态分布合理,基频为161Hz,远高于设计要求的120Hz。各项仿真和测试结果均表明该复合支撑效果良好,满足空间遥感器对可靠性和稳定性的需求。     

光学元件表面的数字全息在线检测

针对光学元件表面质量在线检测的特点,设计了基于数字全息的三维再现检测系统.该系统采用离轴光路,避开了被测元件的光轴,在数字全息再现过程中应用倾斜相差补偿技术去除了由于离轴检测引入的倾斜相位畸变.在检测过程中,利用围绕光轴旋转被测元件的方法来改变入射照明光方向矢量和相应的观察方向,实现了多照明矢量合成孔径技术的应用,扩展了系统的检测距离,提高了系统分辨率.同时,多照明角度下检测数据的叠加,还有效地抑制了检测过程中出现的散斑噪声对结果准确度的影响.通过对分辨率板、高精度玻璃反射镜的检测实验,验证了该系统在光学元件表面检测中的作用.当记录距离为40 cm时,其分辨率能够达到10 μm,满足光学元件表面检测的需要.     

圆形反射镜无隙支撑方法的应用

针对空间光学遥感器圆形反射镜在安装过程中会由于采用间隙配合胶接方法在温度变化时产生非对称应力从而引起非对称像差(主要表现为像散),以及使用的胶层为非线性材料使反射镜面形变化不可逆从而降低结构可靠性等问题,提出了基于过盈配合的无隙支撑方法。该方法依据最小势能原理,使用柔性块以过盈配合的方式固定反射镜。采取线性搜索方法分析得到了适当的过盈量(0.03 mm),利用有限元方法模拟实际工况,得到镜面面形变化情况。对反射镜组件进行温度循环试验,并利用干涉仪对反射镜进行检测。试验显示,温度变化±4℃时,镜面面形RMS值最大为0.018λ,符合设计要求(RMS值≤0.02λ),干涉图表明反射镜受力均匀、无像散;在温度循环试验中,反射镜面形变化可逆。这些结果表明,对于圆反射镜,采用无隙支撑方法能够很好地解决温度变化对镜面面形的不利影响。     

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。     

基于PZT的非球面能动抛光盘定位误差分析

摘要：变形抛光盘能够改变面型以用于非球面镜加工。基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光磨盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面型,为中小口径非球面镜加工提供了一种新的工具。非球面能动抛光磨盘在相对非球面工件移动时,根据位置,计算出每个PZT驱动器的变形量。因此定位误差会引起压电陶瓷驱动器的变形误差,从而造成输出的非球面面型误差。本文对定位误差进行了理论分析和计算,根据计算结果,定位误差应该限制在±0.5mm。     

纳米精度二维工作台测量镜的面形误差在线检测

针对二维工作台测量镜本身的面形误差以及装调等因素引起面形变化对二维工作台定位精度的影响,提出了一种用于纳米精度二维工作台测量镜面形误差的在线检测方法。利用两路激光干涉仪检测面形微分数据的基本原理,分析了零点误差和积分累计误差对测量镜面形误差检测的影响并提出了改进方法。利用三路激光干涉仪组成两组不等跨度的检测机构,得到两组工作台测量镜面形的原始数据,通过这两组数据之间的关系修正跨度间的面形细节误差,得到了精确的测量镜面形误差量。对此方法进行了理论推导、仿真计算和实验验证,并将结果与Zygo干涉仪测量得到的离线检测结果进行了对比,结果显示其差异在±10nm之间,且趋势有较好的一致性。得到的结果验证了提出的方法可正确测量和真实地还原测量镜的面形误差。     

基于高斯光学齐次坐标变换的光机装调

高性能光学系统装调的调整量与光机结构设计相关,而装调所用参考坐标系往往与光学设计所用的坐标系不同。为了精确描述调整量对高斯像位置的影响,本文在基准坐标系下建立了引入装调误差量的高斯光学齐次坐标变换模型。针对具体的光机结构,建立了高斯像像旋和离焦对调整变量的函数,据此计算小的结构变化导致的离轴三反望远物镜高斯像面的移动,结果显示其与光学设计软件对最佳像面位置优化结果的相对差小于4%。利用方差合成方法建立线性规划模型,对17个装调变量做了最宽松的误差分配方案。用Monte Carlo法验证了分配方案,结果表明,该方案在±300μm调焦能力下满足各视场±10μm的焦深要求。本文的方法忽略了复杂、微小像差的影响,适用于含多个已做内部精装的光学组件或平面反射镜的复杂成像光学系统的装调。