大口径光学透镜的双级柔性支撑结构设计

为了解决大视场巡天望远镜中大口径透镜支撑问题,提出了一种双级柔性支撑结构,既可以保证透镜位置精度和面形精度,又能够克服镜框结构弹性变形的影响。首先,详细阐述了大口径光学透镜支撑结构设计中的难点及所提出的双级柔性支撑结构方案,并详述了该支撑结构克服镜框弹性变形的机理和优势。然后,根据双级柔性支撑结构的组成部分以及结构特征,基于欧拉薄梁理论,推导了柔性支撑单元的结构力学模型。然后,假设透镜为刚体,根据在不同姿态下透镜的力平衡和柔性支撑单元的变形协调条件,推导了该柔性支撑结构的整体刚度模型,包括了轴向刚度、横向刚度以及转动刚度。最后,以640 mm口径实验透镜为例,采用数值仿真方法分别模拟了刚性支撑、单级柔性和双级柔性支撑情况下,镜框弹性变形对镜面面形精度的影响。在镜框弹性变形非常大的情况下,双级柔性支撑结构下的镜面面形精度由20 nm下降到50 nm仅下降了2.5倍。此外,利用Zygo干涉仪对实验透镜下表面干涉检测,最佳的面形精度为0.05λ,达到了加工状态,进一步验证了所提出的双级柔性支撑结构的优越性。     

回火用弹性成形夹具

我厂生产的PHV100刀片在制造过程中需进行回火成形，刀片如图1，材料为3Crl3。原工艺采用图2夹具回火。上、下模材料均采用HT200，上模圆弧半径为856mm，下模圆弧半径为900mm（刀片从夹具上卸下后，由于弹性回复，圆弧半径会增大至Rll50mm），每次压形时，装20件刀片，这样当刀片总厚度为44mm时，各刀片正好能均匀受力。但由于刀片厚度误差及表面油污的存在，难于保证刀片总厚度刚好是44mm，当螺栓紧固后，势必造成刀片局部受力，所以经常出现刀片断裂及局部弯曲现象，成品率仅30％。通过试验并进行了改进，设计了回火用的弹性成形夹具，…     

电润湿双液体变焦透镜

研制了介电润湿双液体变焦透镜以实现变焦透镜的微型化及无机械部件情况下透镜的自动变焦。基于介电润湿原理制备了双液体变焦透镜。采用CCD图像测量系统,测量了不同电压下透镜的焦距,并与基于高斯光学理论推导的焦距公式进行了比较。然后,采用COMSOL软件,分析了双液体界面面形随电压的变化,讨论了动力黏度系数对透镜性能的影响。结果表明,随着电压的增大,双液体界面从初始弯向导电盐溶液变为平面继而弯向绝缘油,相应的双液体透镜实现了从凹透镜到凸透镜的转变,临界电压为50V。当电压增大至65V左右时,透镜焦距不再减小。透镜焦距经历了从负到零再到正的变化(-∞,-22.83mm)∪(33.47mm,+∞),基本实现了焦距大范围可调。当动力黏度系数为0.03时,液体透镜的响应时间为0.015s,对应的器件稳定性最佳。     

球面光学元件表面疵病的自动检测技术研究

针对球面光学元件的特点,以及自动检测的需要,提出了环形扫描的检测方法。设计了扫描方案并搭建了实验平台,分析了扫描速度对图像拼接的影响,以及所选光源数目对成像质量的影响。通过实验证明:对口径为20mm,曲率半径为50mm的透镜选取40mm/s的扫描速度,以及三个LED光源照明,可以达到检测的要求。通过GUI参数界面的编写,可以很好地解决不同曲率半径及口径的检测问题。     

基础振动对非对称液压缸的动态特性影响分析

针对硬岩掘进机(TBM)破岩掘进过程中基础振动对非对称推进液压缸动态性能的影响,建立了非对称液压缸在基础振动下的动态响应数学模型,利用AMEsim仿真分析了不同基础振动参数下液压缸动态特性的变化规律。结果表明:基础振动降低液压缸动态稳定性,当基础振动幅值和频率组合为(3 mm,50 Hz)、(5 mm,40 Hz)、(8 mm,30 Hz)时,液压缸压力波动值约为无基础振动时无杆腔压力稳定值20 MPa的10%,达到液压缸正常工作允许的压力波动临界幅值;活塞位移波动趋势与压力波动趋势一致,波动幅值与振幅或振频成正相关,为降低基础振动对液压缸动态特性影响提供依据。     

低频条件下泡沫铜吸声性能的研究

泡沫金属具有很好的高频吸声特性,在低频时吸声效果并不明显。采用驻波管法对泡沫铜进行低频下的吸声系数测试,实验结果表明,在低频下,泡沫铜的吸声系数很低。1800 Hz时,厚度10 mm的泡沫铜吸声系数只有0.125;当在泡沫金属厚加入空气层时,其吸声性能明显改善,1800Hz情况下,厚度10 mm的泡沫铜加10 mm厚空腔时,其吸声系数增加到0.3,空腔厚度20 mm时,其吸声系数增加到0.485.     

大口径传输反射镜的研究进展

针对我国惯性约束聚变装置(ICF)对高性能传输反射镜元件的性能要求,探索了大口径传输反射镜制备涉及的关键技术与工艺。深入开展了K9玻璃坯片研制、光学冷加工、传输反射镜镀膜和激光预处理等方面的研究工作。提出了400mm口径K9反射类坯片精密退火工艺,形成了高精度平面加工技术路线;制备了低缺陷薄膜,并且建立了大口径光学元件预处理装置。最后,综述了大口径高性能传输反射镜研制方面的主要成果。研制的400mm口径传输反射镜在1053nm处以45°入射时,其表面粗糙度优于99.8%,面形PV值小于λ/3(λ=1 053nm),损伤阈值大于30J/cm2(5ns)。基于提出的技术研制的大口径传输反射镜已成功应用于我国神光系列高功率激光装置,有力支撑了我国大型激光装置的稳定运行。     

掠出射微区X射线荧光分析系统的建立及其在薄膜分析中的应用

介绍了一种综合导管X光透镜及全反射X射线荧光分析技术的掠出射微区X射线荧光分析方法,并将其应用北京师范大学低能核物理研究所离子束物理与技术教研室采用MEVVA源离子束和薄膜沉积技术制备的纳米金属单层纳米薄膜及纳米多层膜的分析。实验中所用X光透镜的焦斑大小为41.7μm。通过对薄膜样品的掠出射角度扫描分析,可得到薄膜特征X射线的掠出射角分布曲线,通过将实验曲线与理论模拟曲线进行拟合,可得到薄膜样品在微小区域的厚度及密度。结果表明,相比于通过薄膜沉积过程中的离子电量估计的薄膜厚度值,该方法测出的薄膜厚度更接近于薄膜的实际厚度。同时结果表明,使用MEVVA离子束薄膜沉积技术所镀薄膜的密度均小于体材料样品的密度值,且薄膜厚度的增加,薄膜密度逐渐增大并接近于体材料的密度值。另外,通过对薄膜样品表面进行二维扫描分析,实验中,扫描步长为50μm,扫描区域为500μm*500μm,可分析薄膜表面微小区域的均匀性。     

基于条纹传感的大口径透镜检测方法

为实现大口径透镜组的高质量集成，亟需一套透射波前检测系统，其可实现米级跨度上的微米级精度检测。针对大口径透射波前质量检测难题，采用非窄带干涉与条纹跟踪相结合的方法，获得元件相对倾斜以及支撑结构所引入的系统波前变化。首先，基于光纤互联架构，设计了子孔径分时复用测系统；其次，建立了斜率测量与最终系统波前的映射关系，分析了斜率重建过程对不同空间频率波前的影响；最后，利用桌面实验系统，针对探测原理进行了验证测试，在测试波长1 550 nm时，干涉感知信噪比优于15 dB，测量范围优于5μm，探测精度优于0.5μm。本文所提出的方法可实现大口径透镜透射波前大范围、高鲁棒、高精度的检测，具有重要的意义，特别是对于未来大口径大视场望远镜的建设。     

FeCuNbSiB非晶带材压磁效应研究

采用单辊法制备宽4．5mm、厚25μm的Fe73.5 Cu1 Nb3 Si13.5 B9非晶带材，利用4294A型阻抗分析仪测试了非晶带材的应力阻抗效应；结果表明，当测试频率低于20 MHz时，FeCuNbSiB非晶带材的应力阻抗效应较弱，随着频率升高，非晶带材的应力阻抗效应出现了明显增强，当测试压力为30N，测试频率为15MHz时，非晶带材的SI为2．14％，测试频率为100 MHz时，SI为21．50％。     

用于太空望远镜的大口径薄膜菲涅尔衍射元件

为了满足空间衍射成像系统对大口径、轻量化衍射元件的需求,设计制作了直径为400mm的聚酰亚胺(PI)薄膜菲涅尔衍射元件。通过紫外光刻、离子束刻蚀等微细加工方法在石英基底上制作衍射图形,然后将衍射图形复制到PI薄膜上得到菲涅尔衍射型薄膜元件。结合有限元法探究了薄膜复制过程中热应力的变化规律及降低热应力的方法,分析了影响薄膜衍射效率的因素及薄膜制作误差、温度变化对薄膜成像的影响,最终实现了大面积薄膜与基底的分离,并通过局部氧气等离子体轰击提高了薄膜衍射效率的均匀性。经测试,薄膜菲涅尔衍射元件的厚度约为20μm,在波长633nm处的实际衍射效率平均值为33.14%,达到了理论效率的81.83%,衍射效率的均方根值RMS=0.01。实验结果表明,通过紫外光刻、离子束刻蚀和薄膜复制的方法可以得到大口径、高衍射效率的薄膜菲涅尔衍射元件。     

双压电薄膜微机器人驱动器的稳态响应

描述了一种适用于φ20mm管径的管道检测微机器人的驱动器,它由双压电薄膜、芯杆和配重质量构成。采用有限元分析的方法研究了双压电薄膜在不同边界条件下,驱动器在一阶固有频率处的稳态响应,得出双压电薄膜的压制角度为9°和63°时,驱动器的稳态响应较大。该结论可成为此类微机器人优化设计的理论依据。     

一种用于水中有机物检测的化学——光学传感技术

带侧键的硅氧烷高分子薄膜，在吸收有机分子时它的厚度会发生膨胀，其膨胀幅度与接触的有机物浓度成正比；采用白光干涉测得的方法可测量出薄膜厚度的微小变化，从而构成一种灵敏的化学－光学传感器。本文介绍了这一新技术及对甲苯，二氯乙烷、三氯乙烷的测量结果。     

水平振动下人-椅界面压力分布与振动特性研究

针对水平振动下坐姿人体舒适性问题，对其人-椅系统界面的动态压力分布与人-椅系统的振动特性的相关性进行研究，开展水平振动下坐姿人体舒适性研究。利用电动振动台产生正弦白噪声信号，Tekscan压力采集设备采集动态压力，采用ENS（靠背不支撑后背）与EBS（靠背支撑后背）两种坐姿，对汽车座椅进行水平振动实验，得到坐姿人体纵向压力分布图与坐姿人体响应传递函数曲线。通过计算平均压强、标准化平均压力与坐姿人体响应传递率，最终得出水平振动下坐姿人体背部动态压力对5Hz最为敏感，背部响应传递率在4Hz时达到峰值，7Hz时趋于平缓；臀部与大腿动态压力分别对3Hz与9Hz最为敏感；头部响应传递率在3Hz时达到峰值，6Hz时趋于平缓。为汽车座椅设计提供一定理论基础。     

红外目标模拟器的光学设计

设计了一种用于红外光电系统性能测试的目标模拟器的光学系统。原理上采用一个无焦系统与后聚焦系统的组合系统,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,最终设计结果为工作波段8~12μm,焦距230.599mm,视场12°,入瞳距600mm,入瞳直径100mm。整个光学系统有9个光学透镜,最大口径229.77 mm,光学系统达到衍射极限,全视场MTF均优于0.39,80%的能量集中在23μm的弥散圆内。各项指标都满足设计要求,能很好地应用于红外光电系统的性能测试。     

基于Zemax的C-lens光纤准直器点精度分析

为了解决市场对小点精度光纤准直器的日益增长要求,通过运用高斯光学和几何光学理论,使用Zemax软件对C-lens准直器进行建模,给出了不同的因素对光纤准直器点精度的影响规律。从实际产品和生产工艺角度出发,在透镜焦距为1.91 mm的限定条件下,分析了元件角度、透镜球面偏心、C透镜长度、C透镜材质的改变对点精度的影响规律。模拟的结果表明：当元件的角度为0°时,点精度为0°;当透镜球面偏心为0 mm,且没有角度影响时,光纤准直器的点精度为0°;当C透镜的长度正好等于0.25P时,点精度达到最小值0°;当C透镜材质为Silica时,点精度达最小值为0.38°。将分析结果结合工业生产工艺指标进行了讨论,提出了实际应用改善的方向。通过案例分析,提出了点精度优化0.45°的方向,Zemax模拟平均值为0.95°,样品测试平均值为0.76°,结果表明Zemax对光纤准直器的点精度分析具有一定的指导意义。     

低温红外离轴三反准直系统设计

为实现真空100 K低温环境中的红外设备测试，设计了一种离轴三反式的准直系统。该系统采用无热化设计，整机结构选用SiC材料，在镜体与支撑结构连接处采用C形开口胀销作为柔性结构，补偿连接结构的低温变形。系统整体除反射镜外，其余部分全部包裹在低温辐射冷板内。低热导绝热支撑结构在热传导链中起热屏蔽作用，实现系统的绝热支撑和快速制冷。在100 K低温环境下对单镜进行仿真分析，主、次、三镜的面形误差均小于λ/50；整机分析得到主、次、三镜的面形误差均不大于λ/30。常温下系统各个视场波前差在λ/14～λ/8内，低温下系统视场波前差在λ/8～λ/7内，根据瑞利判据可认为波面无缺陷。当λ=632.8 nm时，常温下系统在50 lp/mm频率的调制传递函数（Modulation Transfer Function,MTF）大于0.7；低温下的MTF大于0.6，满足系统在50 lp/mm MTF大于0.6的使用要求。仿真结果表明，准直系统可以在100 K真空环境中稳定输出平行光，满足低温红外设备的测试需求。在快速辐射制冷材料级实验中，历经18 h，温度稳定在130 K；历经30 h,SiC镜坯温度稳定在...     

25CrNi2MoV钢的微动磨损性能

采用微动摩擦磨损试验机在干摩擦条件下对新型高速重载传动轴用25CrNi2MoV钢进行微动磨损试验,研究了不同载荷(50~200N)和频率(15~30Hz)下该钢的微动磨损性能。结果表明:在频率为20Hz条件下,当载荷由50N增至200N时,25CrNi2MoV钢的平均摩擦因数由0.766减至0.661,磨损体积由19.65×10^-3 mm^3增至75.83×10^-3 mm^3;在载荷为30N条件下,当频率由15Hz增至30Hz时,平均摩擦因数由0.790增至0.905,磨损体积由11.43×10^-3 mm^3增至23.88×10^-3 mm^3;在不同试验参数下,25CrNi2MoV钢磨损表面均出现了氧化和犁沟现象,磨损机制包含氧化磨损和磨粒磨损;在频率为20Hz条件下,载荷为50,100N时,25CrNi2MoV钢的磨损机制以黏着磨损为主,载荷为150,200N时,主要磨损机制为疲劳磨损;在载荷为30N条件下,频率为15~25Hz时,磨损机制以磨粒磨损为主,当频率增至30Hz时,磨损机制以疲劳磨损为主。     

口径自适应光学透镜中心厚度测量方法及装置

透镜作为光学系统中的核心部件之一,其加工质量极大影响着光学系统的使用性能。其中,透镜中心厚度的偏差对整个光学系统成像质量的影响最大。现有的非接触式和接触式测量设备都存在着一些缺点,因此本文提出了一种口径自适应光学透镜中心厚度测量方法,并基于此方法设计和搭建了一套透镜中心厚度测量装置,进行了测量精度对比和重复性测量实验。结果表明,本文所研究的测量装置误差与产线上所使用的测量装置误差相当,满足对光学透镜的检测要求。本装置具有结构简单可靠、操作方便、测量精度高且可以节省光学透镜生产成本等优点,已在生产线得到应用。     

小型数字投影结构光三维测量仪镜头设计

为了解决三维测量仪器的小型化问题,设计了一种数字投影结构光三维测量仪光路结构,并用Zemax软件进行了性能优化。该结构分为投影光路和照相光路,投影镜头采用反远距结构,由5片透镜组成,全视场调制传递函数大于0.35。照相镜头采用双高斯结构,由6片透镜组成,全视场调制传递函数大于0.12。两镜头口径均小于14mm,长度小于40mm,像面照度均大于90%,可以对80~120mm远的物体进行测量。投影图像像素密度为1 028×768,相机拍摄图像像素密度为1 280×960,在工作距离100mm处可以测量28mm×21mm的表面。镜头全部采用球面透镜。该结构具有测量精度高、成本低、加工容易、体积小等优点。