采用单位激励与逆向复算的2 m平面镜检测技术

为解决Φ2 m平面镜高精度面形检测问题,并提高瑞奇-康芒检测方法的可靠性,研究了一种基于单位激励法与逆向复算的Φ2 m平面镜面形检测技术。分析了在气流扰动、球面镜面形等误差源对单位激励面形计算方法的影响;采用单位激励与光学软件逆向复算相结合的方式,提高瑞奇康芒-检测方法的可靠性。仿真分析2 m平面镜检测过程中气流变化对面形恢复的影响,结果显示:在气流影响情况下,经过多次平均计算面形解算稳定性保持在0.003λ;在球面镜面形影响情况下,面形计算精度达到0.0079λ。采用这种方法,对实际Φ2 m平面镜进行面形加工过程控制,面形检测结果显示该平面镜的RMS达到0.0415λ,PV为0.2040λ（λ=632.8 nm）。该研究旨在解决误差影响情况下大口径平面镜面形检测问题,对于实际镜面加工、检测具有重要的应用意义。     

温度变化对胶粘结透镜面形精度的影响

为了保证透镜的面形精度受温度影响较小,透镜采用低应力胶粘结要优于采用机械方式装夹。首先对比了胶粘结透镜在16℃,20℃,26℃时透镜轴向应力大小和面形的变化。实验验证了在不同温度下,胶粘结透镜面形的峰谷(PV)值(0.073λ,0.064λ,0.085λ)要优于机械方式装夹的透镜面形PV值(0.204λ,0.108λ,0.105λ)。最后对不同温度下胶粘结透镜面形变化的理论计算、仿真和实验结果的误差进行了分析。实验结果表明在温度变化时,采用胶粘结透镜的面形精度要优于机械装夹的透镜面形精度,并且能有效控制温度变化对透镜面形精度的影响。     

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。     

高次离轴凸非球面反射镜组合加工（特邀）

为提高离轴三反消像散（TMA）光学系统中次镜的制造效率和精度,开展了离轴凸非球面反射镜组合加工和零位检测的研究工作。首先,介绍了方形(298 mm×264 mm)高次离轴凸非球面反射镜的光学参数、技术指标和总体加工路线;其次,提出了铣磨加工工艺策略以及基于气囊和沥青的小磨头组合加工工艺;最后,阐述了光学零件抛光阶段采用的背部透射零位补偿检测法和Offner型零位补偿器,并采用光线追迹法对镜片的零位补偿检验面形畸变进行了矫正,最终面形RMS值为0.025λ （λ=632.8 nm）,满足技术指标要求。上述组合加工工艺和背部透射零位补偿检测方案可以显著提升高次离轴凸非球面反射镜的加工精度和效率。     

长条形空间反射镜轻量化及其支撑结构设计

为保证空间反射镜在空间应用环境中保持高位置精度和面形精度,实现良好成像,从结构材料的选择、反射镜轻量化设计及支撑结构设计三个方面对某长条形空间反射镜进行了详细的结构设计。提出了一种底面局部开口、三角形加强筋的轻量化形式,反射镜采用背部三点支撑方案,通过合理设计柔性支撑结构参数,使反射镜保证了高刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元法对反射镜系统进行了静、动态特性和热特性分析。分析结果表明:自重及5 ℃均匀温变载荷工况下,反射镜面形精度达到λ/10 PV,λ/50 RMS（λ=632.8 nm）;反射镜组件一阶固有频率230 Hz,具有足够高的动静态刚度和热尺寸稳定性,满足空间应用要求。     

激光通信天线一体化的摆镜面形优化

一对多激光通信天线受结构和尺寸的限制,反射镜与安装平面只能单独研磨。虽然可根据面形测试结果对安装平面进行反复研磨,以保证摆镜安装后的面形精度,但该方法难度大、周期长、成功率低。为了减小加工难度,在保证正常研磨精度(5μm)的同时降低安装面平面度造成的安装应力和温度变形等外力影响,保证摆镜安装后的面形精度。研究了摆镜在力学作用下的面形精度变化和面形稳定性,优化设计了隔离结构,有效提高了摆镜的面形稳定性。测试结果表明,在测试波长为λ时,安装应力和温度升(降)载荷作用下摆镜面形精度的峰谷值由0.546λ提升到0.161λ,均方根值由0.099λ提升到0.019λ,完全符合设计要求。     

大口径标准球面镜组研制与应用

为了实现大口径凸面反射镜检测,研究了大口径标准镜组的设计与研制技术。针对口径Φ为350mm、焦距为4400mm的标准球面镜组,完成了标准镜头设计分析、面形和曲率半径误差标定以及系统集成与实验验证。光学设计软件模拟分析结果表明镜头设计波像差达到0.0001λ[峰谷值(PV),λ=632.8nm],该标准镜头参考球面标准镜面形加工精度达到0.088λ(PV,λ=632.8nm)、0.006λ[均方根(RMS),λ=632.8nm],某项目Φ为320mm、R为4092mm的碳化硅凸面反射镜最终加工检测结果达到0.102λ(PV,λ=632.8nm)、0.011λ(RMS,λ=632.8nm)。结果表明采用该大口径标准球面波透镜组为大口径长曲率半径凸面反射镜提供了一种高精度检测的手段,解决了大口径长曲率半径凸面反射镜检测难题,采用该标准球面镜结合基于数字样板的非零位检测方法也可完成浅度非球面或自由曲面面形实时高精度检测。     

小型反射镜周边支撑技术

从满足空间光学遥感器反射镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了小型凸非球面反射镜材料及支撑方式的选择;根据反射镜的定位原理进行反射镜支撑结构的设计;采用CAD/CAE工程分析软件从支撑结构的材料及支撑方式进行分析和优化,设计一种有效的反射镜周边支撑结构,使反射镜面形误差变化量PV值小于λ/10,RMS值小于λ/50（λ=632.8 nm）。最后,测试反射镜在力学环境试验前后的面形变化,证明该结构满足设计要求。     

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ （λ=632.8 nm）的高精度要求，为模拟在轨失重状态，降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响，对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先，在反射镜分区的基础上，提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则；随后，建立反射镜的有限元模型，以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标，以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化，通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点，实现优化过程的简化；最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中，测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ，且面形分布较为一致，说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效，为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。     

光学元件面形误差的光滑延展算法

在离子束抛光工艺中,为了提高驻留时间求解算法在工件边缘处的求解精度,需要对原始面形误差数据进行有界光滑延展。推导并提出了一种基于高斯曲线的曲面延展算法,该算法利用了高斯函数的有界性、光滑性和参数连续性。将该曲面延展算法应用于带有高频噪声的面形误差工件的驻留时间求解过程中,驻留时间算法在光学元件边缘处的残余误差得到了抑制,使得驻留时间算法在整个通光口径内的收敛率达到了97%（RMS）。这表明基于高斯曲线的曲面光滑延展算法能实现光学元件面形误差的光滑延展,并具有良好的抗噪声干扰能力,改善了驻留时间算法的求解精度。     

激光通信一体化SiC/Al摆镜支撑参数优化

在组网“一对多”激光通信系统中,为了减小安装面平面度误差对反射镜面形的影响,保证组网“一对多”激光通信用伺服摆镜安装后的面形精度,对一体化SiC/Al摆镜支撑参数开展了理论分析,分析了各支撑参数对摆镜面形精度的影响规律。然后采用有限元分析优化设计了支撑参数,确定了支撑点位置和安装面平面度精度的要求。对采用优化设计参数后的摆镜面形精度测试表明,在加工面形为PV值优于53 nm(λ/12),RMS值优于10 nm(λ/60)的前提下,并在(20±5) ℃温度载荷作用下,摆镜安装后的面形精度PV值优于210 nm(λ/3),RMS值优于60 nm(λ/10)。同时,摆镜与安装基座由相同材料制作,这有效减小温度变化负载对面形精度的影响,完全满足组网“一对多”激光通信伺服摆镜面形的精度指标要求。     

结合CGH与辅助透镜的长焦距非球面反射镜检测（特邀）

目前,一些大口径光学望远镜主镜的曲率半径已经达到了几十米量级,若单纯利用计算全息实现对镜面进行面形检测,则检测光路长度不低于其曲率半径长度。受场地大小及环境气流扰动等因素的限制,该条件下难以实现对镜面的高精度测量。为了解决大口径长焦距光学镜面的高精度面形检测问题,提出了一种混合补偿干涉检测方法。该混合补偿方法结合了计算全息图和辅助透镜,在有效地缩短检测光路长度的前提下,可以实现对非球面镜面的零位补偿干涉测量。在光路设计中,需要有效地实现混合补偿光路光学设计参数优化以及对CGH衍射级次的分离;同时,检测光路长度应小于非球面反射镜曲率半径大小,以实现缩短检测光路长度的目的。通过对EELT主镜镜面进行仿真检测,结果表明:该方法检测光路长度可缩短至镜面曲率半径长度的1/8以内,设计检测精度优于RMS λ/100 （λ=632.8 nm）。上述仿真结果证明了该方法可以在缩短检测光路长度的情况下实现对待测非球面反射镜的高精度面形检测。     

大曲率光学零件面形的空间载频外差干涉术检测

光学零件表面面形检测的结果直接影响光学零件的质量,介绍了一种在平面干涉仪上检测大曲率球面光学零件面形的方法,通过对干涉图进行预处理、FFT提取相位、解包裹,并采用Zernike多项式拟合,得到被检球面相对平面的面形函数,与指定的球面相减后,再一次进行Zernike多项式拟合,得到了被检面相对于指定球面的面形函数,由此计算出被检球面的面形误差PV值、RMS值,N与ΔN,并模拟出了用球面干涉仪检测时的干涉条纹.该方法克服了接触检测的缺点,精度高,PV值的标准差σ优于λ/100,RMS值的标准差σ优于λ/700,而且可通过软件设定检测任意大曲率光学零件,为大曲率半径光学零件的检测提供了一种适用的方法.     

全视场外差移相双波长干涉面形检测技术

双波长干涉检测技术可以实现高动态范围与高测试精度的兼顾,是一种极具潜力的检测技术,用于干涉检测的压电位移机械移相技术存在着一些问题,使用全视场外差移相技术,低频差的外差光源与面阵探测器采集帧率相配合,相较于传统的压电位移机械移相技术,可以同时保证不同波长的移相精度,简化移相的复杂度,且可以方便实现多步移相。提出了全视场外差移相双波长干涉测量技术,并搭建了全视场外差移相双波长干涉测量系统,测试了在边缘最高偏离顶点球13 μm的非球面以及高度为(1.3±0.1) μm的台阶,经过实验验证其非球面面形PV测试精度为λ/3.53 (λ=633 nm),面形PV测试重复精度为λ/77.38,面形RMS测试精度为λ/14.16,面形RMS测试重复精度为λ/919.10,台阶高度测试精度为λ/16.19,测试重复精度为λ/311.85。     

碳化硅表面硅改性层的特性研究

为了获得具有高质量光学表面的非球面碳化硅反射镜,需对碳化硅反射镜表面进行改性。介绍了离子束辅助沉积硅的碳化硅表面改性技术。对改性样片表面硅改性层的机械性能、光学加工性、表面粗糙度及反射率等特性进行研究。实验结果表明,碳化硅表面的硅改性层具有优良的机械性能和良好的光学加工性。光学抛光后,碳化硅表面硅改性层的表面粗糙度为0.85nm[均方根(RMS)值],在可见光波段反射率最高可达98.5%(镀银反射膜)。采用数控加工方法对口径为Ф600mm的表面改性离轴非球面碳化硅反射镜进行加工,最终反射镜面形精度的RMS值达到0.018λ(λ=0.6328μm),满足高精度空间非球面反射镜的技术指标要求。     

激光工作物质的高精度检验

一、引言 光学干涉仪是测量光学元件面形、评价透镜质量最常用的手段。七十年代人们将微型电子计算机及相位探测技术应用到干涉计量上,使干涉条纹的数据处理成为独立系统而将高精度光学元件的检验发展到一崭新阶段。美国贝尔实验室首先研制成带微型计算机的条纹扫描干涉仪,使干涉条纹的测量精度由λ/10提高到λ/50～λ/100。我们运用MarkⅢ型干涉仪测量了各种光学元件及光学材料的质量,对仪器的性能进行了分析和讨论。 二、实验结果和讨论 Mark Ⅲ型激光数字波面干涉仪是将位相测量技术应用于费索干涉仪上,利用实时相位同步检     

面向制造的光学面形超精密测量技术研究进展

超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则，计算机生成全息图（CGH）是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此，面向制造过程，重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题，探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题，论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法，探讨加工原位干涉测量进展。最后，从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。     

空间相机反射镜SiC/Al 支撑板轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜组件结构刚度、位置精度、面形精度的同时,最大限度地降低反射镜支撑板的质量,是轻量化设计的一个重要内容。提出了通过拓扑优化确定反射镜用SiC/Al 材料的背部支撑板轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明: 重力载荷下面形精度达到/10 PV,/50 RMS（=632.8 nm）,PV 值13.3 nm,RMS 值2.9 nm,反射镜组件一阶固有频率239 Hz,均优于传统结构形式的反射镜。拓扑优化的方法获得的轻量化背部支撑板能够满足使用要求。     

移相式泰曼-格林红外干涉仪及应用

研究了移相式红外泰曼-格林干涉仪，研制出光机电算一体化的仪器，仪器孔径为Φ30mm。编制了计算机软件，用于干涉图波面的拟合与红外光学系统成像质量的评价，所鳊软件与国际上同类软件的计算精度相当。介绍了红外干涉仪的多种应用：评价红外光学系统的像质，检测光学件精磨表面粗糙度、光盘基片面形的平整度。结果表明，仪器干涉系统光学质量优于λ／25，扩展不确定度优于λ／130，重复性优于λ／200(λ=10．6μm)。     

承载式激光通信光学天线

在保证一对多激光通信终端光学天线的成像质量前提下,为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题,提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计,保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析,结果表明:整机一阶模态151.54 Hz;光学天线前端可承载8.5 kg,后端面可承载13 kg;径向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS值（均方根误差）为/158、PV值（最大峰谷误差）/30,次镜最大倾角1.88;在（205）℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS为/65、PV为/14,次镜最大倾角1.21,该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量,可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置,使用ZYGO干涉仪进行测试,结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下,系统波相差RMS值优于/15的指标要求。