轴对称非球面平行磨削Y轴向对刀误差补偿

在光学系统中应用非球面光学元件能够提高光学系统设计灵活性,改善光学系统成像质量,缩小光学系统尺寸,在整体上减轻系统质量。本文通过系统分析轴对称非球面元件精密磨削工艺过程中的轴向对刀误差等加工误差因素,建立轴向对刀误差校正方法,并将其运用到轴对称非球面精密磨削与抛光加工过程中。由实验可知：通过误差补偿,加工时间节省60%以上,Φ80mm口径非球面抛光后的面形精度PV值为0.62μm（0.982λ）,RMS值达到0.093μm（0.147λ）,满足非球面面形精度要求。实验结果验证了理论分析与误差补偿方法的正确性,实现了轴对称非球面光学元件的快速精密加工。     

精密低损耗光学元件制造与检测技术

正精密低损耗光学元件制造与检测技术针对高精密光学系统中低损耗光学元件需求,实现高质量、低损耗光学元件的制造。开展中大口径非球面光学元件成套制造技术研究,兼顾加工效率和精度,实现高效精密可控制造,增强确定量抛光能力,可满足武器装备需求,打破国外垄断。     

非球面反馈补偿铣磨抛光及工艺参数优化

通过对口径Φ84mm平凸非球面透镜加工工艺的研究,提出了全口径柔性抛光结合小磨头修正抛光的试验方案。通过实验引入铣磨补偿量来抵消全口径抛光带来的面型误差,并对小磨头修正抛光比较突出的工艺参数进行单因素试验,其中包括小磨头尺寸选择,抛光压力选择。通过改变抛光盘尺寸有效减少了中频误差,优化工艺流程参数后抛光的元件面型精度（PV值）0.49μm,达到中等精度要求。总结出一套效率高,成本低,重复性好的数控研抛非球面方法,可实现中小口径非球面元件大批量快速加工。     

基于光学非球面的大尺寸精密检测平台技术

针对光学非球面元件精密面形测量的需要,提出了一种大尺寸精密检测平台的测量与控制技术。通过讨论检测平台离线测量原理,采用高精度直线电机、0.1μm接触式/非接触式测量传感器以及自主开发测量评价软件为核心的软硬件控制方案,完成了大尺寸精密检测平台的设计与搭建,并针对光学非球面元件的测量特点,开发了配套的测量软件,以实现大口径光学非球面元件的面形测量与评价。光学非球面元件的测量实验结果表明:该检测系统可以有效地应用于非球面表面形貌的精密测量。     

基于硫系玻璃非球面抛光工艺研究

硫系玻璃非球面透镜具有优异的红外光学性能,分析了硫系玻璃材料的光学和热力学特性,针对硫系玻璃质软,热膨胀系数大,依据自适应迭代驻留时间算法理论,采用数控气囊式抛光对?50mm硫系玻璃非球面透镜进行抛光。通过正交试验确定了透镜在抛光过程中的气囊抛光头旋转速度、气囊充气压力值、氧化铈抛光液浓度等工艺参数,再使用带有聚氨酯抛光垫的气囊对透镜进行多次抛光,并检测其面形图。最后通过分析对比实验,在实验基础上改用金刚石微粉作为抛光液,对透镜进行最后阶段的面形修正抛光,其表面粗糙度Ra值为9.28nm,PV值为0.6097μm,表面疵病B为Ⅲ级。     

非球面部分补偿检测系统的误差分析与处理

为了实现非球面通用化、高精度检测,提出非球面部分补偿法,并进行误差分析与处理.在光学设计软件ZEMAX中对部分补偿检测系统进行系统建模并优化,分析器件姿态误差及装调精度对重构非球面面形的影响.通过对系统误差的分析,提出基于系统建模的光线追迹与误差存储相结合的系统误差处理方法,将系统误差归为由系统建模得到检测光路的误差和由误差存储得到不含检测光路的干涉仪系统的误差.通过计算机仿真及实验证明,部分补偿检测系统采用该误差处理方法去除系统误差后,可以由逆向迭代优化重构(ROR)技术重构出更精确的非球面面形.将该非球面面形与采用无像差点法得到的面形对比,结果较吻合,均方根(RMS)精度接近0.02λ(λ为波长).     

零补偿干涉检测实现及误差量规律

针对大口径离轴光学非球面反射镜的特殊工艺性,在合理设计零补偿器结构形式的基础上,综合考虑零补偿器各组件的误差参量做进一步优化.利用零补偿器实施非球面元件面形干涉检测过程中,着重分析调整误差对检验精度的影响,建立误差标定模型.以一块二次离轴非球面反射镜为实例进行了计算机模拟分析,得到对应不同调整误差的干涉图样,可以为快速地调整补偿器与被检元件之间相互位置提供参考,有助于获得指导加工的真实面形结果.     

北京空间机电研究所大口径非球面镜加工技术获突破

1块920mm口径的非球面镜在中国空间技术研究院所属北京空间机电研究所完成精密加工。其面形精度误差优于1／70波长,曲率半径偏差小于0．03％,表面粗糙度达到0．95nm,加工精度达到国内领先水平。这标志着该研究所正式具备了大口径光学镜头的高精度轻量化加工能力,填补了中国航天科技集团公司在先进制造领域纳米精度光学加工能力的空白。     

超大口径凹非球面反射镜的动态干涉测量技术

为了克服超长光路造成的振动和大气扰动的影响,采用动态干涉测量结合补偿法进行超大口径凹非球面的精密检测.通过分析超大口径凹非球面反射镜检测的难点,采用动态干涉仪克服检测中振动和大气扰动,并利用Zemax光学设计软件,以口径3.5m的凹非球面反射镜为例设计了干涉补偿光路.误差分析结果表明,采用动态干涉仪和补偿法进行超大口径凹非球面反射镜面形检测,不仅可以克服振动和大气扰动的影响,还能达到λ/90以上的检测精度.     

大口径非球面的超精密回转扫描测量技术研究

分析了基于衍射准直技术的f-θ透镜系统特性,进而提出一种大口径非球面轮廓测量方法。以二维相位板生成的衍射准直光束为测量基准光束,并以衍射光斑的暗线为位移基准,通过将超精密直线运动和超精密回转运动有机合成,实现了对大口径近平面非球面三维轮廓的回转扫描测量。研制出了实验样机,可测量的大口径非球面直径达500 mm,单点稳定性优于1μrad/200 s,与AK100Fizeau干涉仪的比对测量结果为PV值=0.1λ和RMS值=0.05λ,验证了本文提出的方案能够胜任大口径近平面非球面的三维轮廓检测,为将顺序扫描法拓展至大口径范围深度非球面轮廓测量提供了坚实的理论基础。     

光学元件面形评价参数的稳定性及关联性

为了选取最优评价参数以消除峰谷值(PV)参数出现的敏感性、波动性和不确定性等弊端,文中通过对不同波面的分析和重复性的讨论,对PV、PV_m、PV_(20)、PV_q和PV_r评价参数的稳定性进行分析;对传统抛光加工方式下仅含单项像差的波面和一般波面中PV相关评价参数与均方根值(RMS)的关系进行研究.结果表明:PV_q和PV_r参数有较好的稳定性.对于仅含单项像差的波面,PV相关参数和RMS的比值均为恒定值,采用单一的参数评价面形质量;对于一般的面形测量,PV相关参数和RMS的比值无确定的关系,采用PV和RMS参数综合评价光学元件的面形质量.     

高面形精度标准镜自重变形的补偿技术

为了提高光学检测精度,完善标准镜装配工艺,针对采用胶粘法装配的镜片提出了两种补偿镜片自重变形的方法,即通过改变胶层位置补偿镜片自重变形的方法和通过施加作用力改变镜框形变量补偿镜片自重变形的方法。通过理论计算、建模仿真与光学检测的手段验证不同工况下自重变形对于面形精度的影响。给出了镜片面形与胶层位置、作用力的对应关系,镜片经过补偿可以达到很高的面形精度,明显优于普通胶粘法,实验对象在补偿前的面形精度为4.511nm,补偿后面形精度达到2.134nm,保证了标准镜的高面形精度。     

正六边形反射镜支撑结构设计

研究了正六边形主镜的支撑结构组件,对主镜组件进行了材料选择、结构形式与尺寸参数设计、仿真分析和试验验证。首先,针对使用要求,对主镜进行了材料选择,确定主镜材料为微晶玻璃,并进行了轻量化设计,对边320 mm的正六边形主镜最终重量约为7 kg,轻量化率为57%;其次,确定主镜支撑采取背部三点的支撑方式,支撑点分布圆为?184 mm,对支撑组件中的镶嵌件、柔节和支撑背板进行了材料选择,并给出了组件的装配工艺,采取正交试验和有限元仿真相结合的研究方法对支撑组件中的柔节进行了优化设计,给出了柔节优化后的尺寸参数,分析结果表明:在1 g、-2℃工况及1 g、2℃工况下因结构支撑引入的面形误差分别为3.9 nm RMS和5.2 nm RMS,能够满足光学指标要求;最后,对组件进行了实物试验,试验结果表明:在室温18℃下检测其面形精度RMS为0.018 9λ(λ=632.8 nm),在室温20℃下检测其面形精度RMS为0.019 6λ,获得了比较好的面形精度,验证了结构设计的合理性,具备良好的性能,满足系统使用要求。     

基于空间频率评价磁流变抛光非球面中频误差

基于空间频率的概念,提出磁流变抛光非球面表面波像差的相移评价算法,根据位相与表面高度差之间的关系,计算出元件表面上各点的实际高度差.通过规划表面残余误差与抛光工艺参数之间的关系,确定能够有效消除表面残余误差的磁流变抛光工艺规范,制造成功在20 mm通光口径内面形精度达到20 nmRMS(均方根值)的非球面曲面.该方法克服了传统评价方法的局限性,为深入开展纳米精度磁流变抛光技术提供有力的技术储备.     

光学非球面柔性抛光表面粗糙度的研究

为了研究FRP-1型非球面柔性抛光机加工非球面零件的可行性,利用FRP-1型非球面柔性抛光机对非球面光学零件进行抛光实验.采用单因素工艺研究法对抛光机的工件轴转速、非球面工件的口径和其最接近圆曲率半径等工艺参数对表面粗糙度的影响进行了分析.实验表明提高工件轴转速可提高抛光效率,且抛光小口径大曲率工件的效率要优于大口径小曲率的工件.在上述研究基础上对K9玻璃材料的非球面工件进行抛光实验,60 min后工件的表面粗糙度由最初的Ra150 nm收敛到Ra8.55 nm.利用FRP-1型非球面柔性抛光机对非球面光学零件进行抛光效果良好能够满足非球面光学零件的加工精度的要求.     

长条反射镜轻量化及支撑结构设计

建立了几种轻量化反射镜的有限元模型,用有限元方法分析反射镜在加工、测试状态下自身重力作用对反射镜面形精度的影响。仿真结果表明:轻量化率达到43.59%,反射镜面RMS值1.43 nm,PV值为7.58 nm,反射镜的质量、刚度及反射镜面形精度均能达到成像质量要求,结构设计合理可行。     

光电

我国第一座非球面光学元件产业化基地在云南昆明建成,目前已进入产业化生产,该基地的建成填补了我国非球面镜片产业化生产技术的空白。非球面光学元件,是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。采用非球面光学系统,可消除球差、慧差、像散、场曲,减少光     

数控气囊式抛光结构设计与非球面加工工艺技术研究

非球面光学元件由于具有改善系统成像质量、提高光学性能等特点被广泛的应用于各类光电产品中,因此如何抛光加工出高精度非球面元件成为国内外学者面临的难题.对数控气囊抛光方法抛光非球面元件的工艺进行研究,分析气囊抛光的加工原理,设计气囊式抛光头的结构,并对材料去除函数进行分析.在实验过程中使用硅胶气囊与橡胶气囊对非球面元件进行抛光对比,采用轮廓仪测量非球面面型,并使用高倍放大镜检测表面质量.结果表明,利用数控气囊抛光方法可以加工出光滑的非球面表面,粗糙度为0.9nm,该方法是抛光高精密非球面光学元件的有效方法,且数控气囊抛光工艺具有可扩展性.     

Zernike多项式的条纹反射三维面形重建算法研究

针对光学镜面测量中的面形重构问题,提出了一种基于Zernike正交多项式的面形重建方法。通过理论推导建立了面形重建数学模型;利用Matlab仿真模拟,分析了Zernike项数与采样点数的关系,研究了不同项数及采样点数对重建结果的影响;以双曲面为例进行了算法的有效性验证,给出了重建后面形的36项Zernike系数;最后对算法进行了噪声等级变化分析。研究结果表明:对于一个初始面形峰谷值(PV)为0.007 5 mm,均方根值(RMS)为0.001 1 mm的双曲面,选择Zernike前36项系数、采样点数为300时,拟合面形残差PV=2.664 5e-15 mm,RMS=4.661 6e-16 mm,拟合效果较好,且当噪声在15%以内,算法适用性较好。研究结果为后续复杂镜面条纹反射测量提供参考。     

非球面非零位拼接测量的对准误差模型

为消除非零位拼接检测非球面中对准误差对拼接结果的影响,建立了基于对准误差修正的优化拼接模型;在非零位检测非球面对准误差模型的基础上,分析对准误差各误差分量的表现形式及影响规律,并建立了基于对准误差补偿的拼接检测非球面的数学模型,实现子孔径的高精度拼接合成。实验表明,该方法可以有效地提高拼接测量精度,经过对准误差校正的拼接测量结果的PV值精度可达0.03λ。