基于柱面坐标系的新型光学坐标测量机的研制

研制了一种基于柱面坐标系的新型专用非球面坐标测量机,通过测量非球面多条子午截线实现对非球面形的全口径检测。在结构设计方面,采用了龙门框架加回转运动的形式,利用高精度气浮导轨实现水平运动,利用端齿盘实现对工件的精确分度,通过点位测量的方式实现对非球面形的高精度检测。在软件方面,建立了系统的数学模型和柱面坐标系下回转对称非球面形全口径检测算法,并在VC++6.0和Matlab平台上编制了测控软件和数据处理软件。系统最大测量口径为600 mm,测量高度为25 mm,最小测量步长为1 mm,经过系统误差补偿后,系统精度优于1 μm,满足了精磨、粗抛阶段非球面形检测要求。试验表明:系统运行良好,精度满足要求,同时具有良好的通用性,可用于非球面精磨、粗抛阶段的检测。     

基于面形斜率的光学自由曲面表征

对光学自由曲面设计的关键问题——光学自由曲面的表征模型进行了研究。在传统高斯径向基模型的基础上,通过改善基函数的分布特性以及基于面形斜率调整基函数的形状因子,建立了基于面形斜率的高斯径向基表征模型。利用建立的模型、传统径向基模型和Zernike多项式模型拟合了不同类型的自由曲面,并进行了分析比较。结果证实了文中提出的模型较传统径向基模型的面形拟合精度提高了1~2个数量级,具有较强的面形表征能力。应用该模型进行了离轴三反系统的设计,结果显示设计的三反系统的全视场平均调制传递函数(MTF)达到80%以上。与传统面形表征模型相比,该模型的应用提高了系统的像差平衡能力,改善了系统的成像质量。综合分析表明,该模型适用于表征具有显著非对称性的、面形矢高带有显著局域性变化的自由曲面,有望应用于具有大离轴量和大视场的光学系统设计中。     

一种测量非球面光学零件面形的新方法

根据激光扫描平移加旋转法的测量原理 ,推导出了非球面光学零件面形测量的数学模型 ;对一个非球面反射镜进行了实测并对测量结果进行插值运算 ,进而拟合出零件面形的曲线方程。     

离心熔铸非球面镜镜胚面形偏差工艺参数的敏感性研究

离心熔铸技术在大口径非球面镜镜胚的制造方面具有独特优势。本文通过自行研制的缩比模型实验机进行试验,深入研究了离心熔铸工艺及成型镜胚质量,详细介绍了模具涂层的制备、离心熔铸的加热及冷却等工艺过程,制备了非球面镜镜胚模型。采用数值模拟与试验研究相结合的方法,对所得镜胚面形偏差工艺参数的敏感性进行了研究。分析了模具的热膨胀系数、镜胚冷却速率、直径及加热温度对面形偏差的影响,得到了偏差工艺参数的敏感性规律。通过对面形偏差进行两次迭代补偿,面形偏差值从-84μm降到33μm,补偿后的结果满足设计要求。采用离心熔铸技术,可以制备满足上表面垂直偏差在30~40μm范围内的非球面镜镜胚。     

非接触式视频应变测量系统设计

在材料拉伸试验中,传统的机械式引伸计应变测量存在很多缺陷.文中从硬件搭建和软件算法编制两方面设计了非接触式视频应变测量系统.该系统以图像测量技术为基础,具有非接触式、全场景测量、可视化好、智能性高、应用广泛等诸多优点,实现了材料在加载过程应变的实时测量.测量技术应用亚像素边缘检测算法,系统应变测量结果具有较高精度.     

无需精确调整被测镜的平面面形检测新方法

现有的面形绝对检测法为了保证检测精度,在测量过程中需要耗费大量时间对被测镜进行精密的姿态调整。针对上述问题,提出了一种无需精密调整被测镜姿态的两平面面形检测方法。该方法需被测镜在3个位置进行测量:初始位置、旋转未知角度后的位置、横向平移未知距离后的位置。通过特征匹配求解被测镜实际旋转角度和平移量,通过迭代算法和拟合Zernike多项式恢复被测镜面形,并对被测镜面形中损失的角频率项进行补偿。该方法在保证精度的同时,避免了被测镜的精密调整,缩短了测量时间。实验表明,该方法与Vannoni的方法相比,二者检测结果的残差均方根(RMS)值为0. 004λ,测量中被测镜调整过程快速简单连贯,为光学元件的面形检测提供了一种新的技术途径。     

非球面补偿板三维面形检测方法的研究

本文对准直激光束检测非球面方法进行了研究。它不用接触被检件表面,同时也无须处理干涉条纹。测量时只要保证激光细束保持一致的入射方向扫描被检表面,用CCD光电探测器检出面形的斜率变化,而后在扫描范围内积分便能获得面形高度。本文以测量光学系统中用于波面补偿目的的旋转对称镜面为例对测量系统进行分析。该系统不仅可以进行一维测量,通过转台旋转亦可进行二维测量,通过面形重构获得三维的被测体面形。给出了三维面形重构方法,并编制数据处理软件,可以把测量数据处理成高度曲线或三维面形。     

非球面补偿板三维面形检测方法的研究

本文对准直激光束检测非球面方法进行了研究。它不用接触被检件表面,同时也无须处理干涉条纹。测量时只要保证激光细束保持一致的入射方向扫描被检表面,用CCD光电探测器检出面形的斜率变化,而后在扫描范围内积分便能获得面形高度。本文以测量光学系统中用于波面补偿目的的旋转对称镜面为例对测量系统进行分析。该系统不仅可以进行一维测量,通过转台旋转亦可进行二维测量,通过面形重构获得三维的被测体面形。给出了三维面形重构方法,并编制数据处理软件,可以把测量数据处理成高度曲线或三维面形。     

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。     

环形子孔径拼接干涉检测非球面的数学模型和仿真研究

利用环形子孔径拼接干涉技术可以不需要补偿器、CGH等辅助元件就能够高分辨、低成本、高效地实现对大口径、大相对孔径非球面的检测.介绍了该技术的基本原理,并基于最小二乘法和Zernike多项式拟合建立了合理的数学模型,同时对其进行了计算机模拟实验,拼接前后全孔径相位分布残差的PV值和RMS值分别为0.0079λ和0.0027λ,说明该拼接模型和算法是准确可行的,从而提供了除零位补偿外又一种定量测试非球面尤其是大口径非球面的途径.     

表面改性非球面碳化硅反射镜的加工

为了获得高质量光学表面的非球面碳化硅(SiC)反射镜,对碳化硅反射镜表面改性技术以及离子束辅助沉积(IBAD)Si改性后的非球面碳化硅反射镜的加工技术进行研究。首先,简要介绍了碳化硅反射镜表面改性技术以及本文所采用的离子束辅助沉积(IBAD)Si的改性方法。然后,通过采用氧化铈、氧化铝以及二氧化硅等各种抛光液对离子束辅助沉积(IBAD)Si的碳化硅样片进行抛光试验。试验结果表明氧化铈抛光液的抛光效率较高,使用二氧化硅抛光液抛光后的样片表面质量最好。最后,在上述实验的基础上,采用计算机控制光学表面成型（CCOS）技术对尺寸为650mm×200mm的表面改性离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜进行加工,最终的检测结果表明离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）优于λ/50（λ=0.6328μm）,表面粗糙度优于1nm（Rq值）,满足设计技术指标的要求。     

Three-dimensional profile stitching measurement for large aspheric surface during grinding process with sub-micron accuracy

A novel measurement method is proposed to realize three-dimensional (3D) profile stitching for large aspheric surface. The proposed method is based on the multiple sub-regions stitching technology applying a four-axis fixture and a commercial small-range profiler. The partition of sub-regions is due to the effective profiler’s range and the characteristic parameters of aspheric surface, and the measurement for each sub-region within the profiler’s range is achieved through the fixture to translate and rotate the aspheric surface. Then a stitching algorithm including the multi-body theory, the invariability of curvature radiuses and the least square principle is established to reconstruct the full 3D profile. Simulations of multiple sub-regions stitching for different aspheric surfaces are performed to predict the stitching accuracy of proposed method and analyze the influence of alignment errors in Y direction caused by the rotation error along Z direction (Δβ_w,g). The stitching accuracy of proposed method is verified by measuring the 3D profile of an off-axis parabolic surface and an axisymmetric aspheric surface. The experimental standard deviations of stitching errors are 0.16 μm and 0.42 μm, which are less than the form errors of aspheric surface during grinding process. The results show that the proposed method achieves 3D profile stitching for large aspheric surface with sub-micron accuracy.     

大口径大相对孔径非球面凹镜的零位补偿器设计

针对大口径大相对孔径凹非球面反射镜加工检验困难的问题,提出了凹非球面的零位补偿检验方案。基于三级像差理论和单透镜的PW关系式,对双片式结构和三片式结构的补偿器的初始结构求解进行了理论推导。对多组初始补偿系统的像差特性进行分析和结构选型,利用光学设计软件对其进行像差平衡,能高效得到理想的优化结果。给出了一个口径为500mm、相对孔径为1／1．2的凹非球面的补偿器的整个设计过程,设计结果优良。     

接触式非球面轮廓测量的数据处理模型

在分析接触式轮廓测量仪误差的基础上,以最小二乘法为基本数学理论,提出了一种能同时校正由于非球面镜放置时存在的X、Y方向的倾斜、X、Y、Z方向的偏心,曲率半径不准确、以及由于轮廓仪的旋转中心与探测头的零点之间随机的微小偏移所造成的测量误差的数学模型。数学模拟表明,该模型在校正上述误差源上具有极高的精度,对1 cm以下的偏心和0.1°以下的倾斜可无误差地恢复,对曲率半径的恢复也极为有效。实际工程应用的结果表明,模型是可靠有效的,为接触式非球面轮廓测量提供了一个宽松的镜子放置条件及自动拟合最佳曲率半径的功能。特别是自动校正由于轮廓仪的旋转中心与探测头的零点之间的随机微小偏移所造成的测量误差的功能提高了测量仪的测量精度和测量结果的重复性。     

红外线聚光非球面透镜的单点金刚石镜面切削方法

根据硬脆性材料的延性域加工机理和面形误差补偿加工方法,研究了圆弧形和平头形刀具的单点金刚石延性域切削方法,在加工中直接获得了镜面切除面;并利用数控技术进行误差补偿,克服了因加工试验、刀具磨损、机械振动、热变形等造成的加工误差导致的非球面的面形精度降低和表面粗糙度恶化.并将该方法用于采用圆弧形刀具对红外线聚光的φ70mm非球面锗透镜进行单点金刚石切削实验中.试验结果表明面形误差补偿加工方法可以进一步消除加工误差,将非球面的面形精度PV值从微米级(1.23μm)提高到亚微米级(0.36μm)的程度,表面粗糙度R_a从亚微米级(0.27μm)改善到超亚微米级(0.04μm)的范围.     

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。     

表面接触角测量装置的设计

介绍了一种用于测量表面接触角的简易装置,目的是为材料表面的润湿性实验研究过程提供一种简易专用装置和方法,替代昂贵的专用测量仪器,用于快速评估被测样品表面的接触角。装置由样品台、光学系统、三维平移台、移液器和计算机组成,对被测样品表面具有一定体积的液滴通过光学系统成像,并将CCD相机与计算机相结合,对液滴形态图像进行存储和分析,从而得到被测样品的表面接触角。对装置的结构、功能和使用方法进行了介绍。     

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。     

干涉法实时测量浅度非球面技术

提出了一种干涉实时检测非球面的新方法,该方法无需补偿器,CHG等辅助元件就能实现对浅度非球面的测量。对非球面度较小的非球面,直接利用标准球面镜作为参考表面,通过数字干涉仪可以测得全孔径位相分布,将所得的数据剔除参考球面波相对理论非球面的偏差,并运用最小二乘拟合求得机构定位误差,消去此误差,从而能够获得真实的面形信息。利用该方法对一口径为350mm的浅度双曲面进行了测量,通过数据分析和处理得到面形误差的PV值和RMS值分别为0.387λ 和 0.048λ ( =632.8nm)。并将该结果与零位补偿的检测结果相比较,两面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.033λ 和 0.006λ 。说明该技术对检测浅度非球面是切实可行的。