球面拼接镜的相对曲率半径测量

为了实现对拼接镜子镜之间相对曲率半径的精确测量,提高各子镜曲率半径的匹配精度,提出了一种使用Shack-Hartmann传感器和高精度球径仪测量球面子镜相对曲率半径的新方法,并建立了一个实验系统。该方法首先使用共焦调整方法使各子镜共焦,用S-H传感器测量子镜的轴向离焦量,轴向调整压电陶瓷促动器,使由传感器测得的离焦量接近于0;最后,再对子镜进行一次共焦调整之后,使用高精度球径仪来测量各子镜之间的相对曲率半径差。实验采用的拼接镜由3块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜为球面,设计曲率半径为2000mm。分析测试结果表明,该方法测得的球面拼接子镜的相对曲率半径精度约为1μm,该方法表明适用于大型球面拼接镜面望远镜各子镜相对曲率半径的检测。     

拼接镜主动光学共焦实验

为了实现对拼接镜的共焦调整,建立了拼接镜主动光学共焦实验系统。实验中,拼接镜由3块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜为球面,曲率半径为2000mm。采用Shack-Hartmann传感器进行共焦测量,用6个微位移平移台对两块子镜的离焦和倾斜进行调整。每个子镜对应Shack-Hartmann传感器的36个子孔径,用子孔径产生的像点位置偏移计算子镜之间的共焦误差。通过微位移平台调整,可控制子镜的轴向离焦误差优于1μmrms,倾斜误差在两维方向上均优于0.02″rms。实验表明,该方法适用于大型拼接镜面望远镜的共焦标定和实时调整。     

拼接镜主动光学共相实验

考虑拼接望远镜子镜之间保持共相位可使拼接镜达到衍射极限,本文建立了一套主动光学实验系统来测量和调整拼接镜子镜之间的相位差和精度以实现子镜之间的共相位。拼接镜由3块正六边形球面子镜组成,子镜对边长为300mm,曲率半径为2000mm。首先,使用Shack-Hartmann传感器和高精度微位移平移台使子镜之间精确共焦,使用球径仪调整子镜之间的高度差到微米量级;然后,运用白光斐索干涉原理对子镜高度差进行调整;最后,运用子孔径衍射原理测量子镜之间的高度差,并调整使其共相位。为了验证标定效果,对光纤光束进行了成像实验,受光纤直径的限制,拼接镜上用于成像的口径为100mm。实验结果显示,白光斐索干涉的测量精度优于100nm,子孔径衍射的测量精度优于16nm,共相位标定后,系统能够实现衍射极限成像,表明提出的方法适用于拼接望远镜的共相位标定。     

球型惯性元件配合间隙差动共焦精密测量方法

配合间隙是决定球型惯性器件精度和可靠性的关键参数之一,针对球型惯性器球面元件表面有缺口且未完全抛光导致曲率半径难以精确测量,进而难以准确控制球碗、球冠配合间隙瓶颈问题,提出了一种球面惯性元件配合间隙激光差动共焦高精度方法。该方法利用抗散射的激光差动共焦曲率半径测量方法分别对球碗、球冠的曲率半径进行测量,然后利用差动共焦曲率半径测量系统测得的球碗和球冠的半径差来控制球型惯性器球面的配合间隙。理论分析与实验验证表明:该方法测量球冠和球碗配合间隙的相对扩展不确定度优于20×10~(-6),其为惯性器件球冠和球碗配合间隙的高精度测量与控制提供了一种全新的技术手段。     

五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量

为提高球面透镜曲率半径的测量精度,提出基于五维位姿监测调整的差动共焦曲率半径高精度测量方法。通过驱动被测样品回转,在探测器上监测被测件的共焦点轨迹,测量被测件球心点与测量光轴之间的偏心误差,结合位姿调整系统对偏心误差进行自动补偿,确保测量过程中被测件球心与测量光轴重合,消除被测样品球心离轴引入的测量余弦误差,进而消除每次装调的样品位姿误差对测量精度的影响。理论计算和初步实验表明：该方法对曲率半径的相对重复测量精度(RMS)可达到3.2×10^-6。该方法显著提升了曲率半径的重复测量精度,为曲率半径的精密测量提供了有效途径。同时,该方法还为透镜中心偏、焦距、厚度、镜组间隔等多种参数的高精度测量提供了有效方法。     

激光共焦透镜曲率半径测量系统

基于共焦技术独特的轴向层析定焦能力并结合气浮导轨平移台和激光干涉仪测长系统,研制了一套高精度、非接触激光共焦透镜曲率半径测量系统。该系统利用共焦轴向光强响应曲线的峰值点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,使用峰值点对被测透镜的猫眼位置及共焦位置进行精确定位,并结合激光干涉仪获得透镜猫眼位置及共焦位置坐标值,从而计算得到透镜的曲率半径。系统由主控软件控制气浮导轨带动被测透镜在猫眼位置及共焦位置附近进行扫描测量,并实现信号采集和数据处理。实验表明,利用该系统测量透镜的曲率半径时,测量重复性优于2 μm,满足国内高精度透镜曲率半径测量的精度需求。该系统测量速度快、操作简便、结构简单且易于实现小型化。     

拼接镜的主动光学面形控制

为了实现对拼接式望远镜各子镜的主动控制,建立了正六边形子镜拼接的面形控制方程,并研究了传感器的安装位置对面形控制的影响.根据子镜之间相对位置的测量要求确定了主动控制所采取的方式,建立了由3个正六边形子镜组成的拼接镜的面形控制方程,并分析了传感器的安装位置对面形控制的影响.提出了传感器沿垂直镜缝方向错位安装的方法,分析了该方法对于拼接子镜扩展的适用性.分析表明,对于边长0.9 m,对角线长1.8 m的子镜,传感器错开0.02 m安装即能够准确检测子镜之间的位置变化;给出了正确的促动器调整信息,满足了拼接镜主动面形实时、高精度控制等要求.     

拼接镜主动光学面形控制的研究

为了实现对拼接式望远镜各子镜的主动控制,建立了正六边形子镜拼接的面形控制方程。研究了传感器的安装位置对面形控制的影响。首先,根据子镜之间相对位置的测量要求确定了主动控制所采取的方式。接着,建立了由3个正六边形子镜组成的拼接镜的面形控制方程,并分析了传感器的安装位置对面形控制的影响,提出了传感器沿垂直镜缝方向错位安装的方法。最后,分析了该方法对于拼接子镜扩展的适用性。分析表明,对于边长0.9m,对角线长1.8m的子镜,传感器错开0.02m安装就能够准确检测子镜之间的位置变化,并给出了正确的促动器调整信息。能够满足拼接镜主动面形实时、高精度控制等要求。     

激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

针对国内高精度曲率半径计量需求,研制一套激光差动共焦曲率半径测量系统.该系统采用差动共焦定焦技术,利用轴向光强响应曲线的过零点精确对应物镜聚焦焦点这一特性,借助过零点对被测件的猫眼和共焦位置进行精密瞄准定位,通过干涉测长技术获取两点间的距离,继而实现曲率半径的高精度测量.该测量系统的机电控制由主控软件完成,可实现机电扫描、数据采集及数据处理,自动化程度高.实验证明,该系统定焦灵敏度高,受环境波动影响小,测量精度可达3×10-6,满足了高精度曲率半径的计量需求.     

拼接镜新型粗共相检测方法

为了实现拼接镜平移误差的大量程、快速检测,提出了一种利用白光(400～700nm)远场光斑相干性来检测拼接镜piston误差的方法。该方法以两半圆孔间的非相干衍射图案为模板,利用互相关算法求解实际衍射图案与模板图案间的互相关系数,通过设定0.85阈值,实现拼接镜piston误差的粗共相检测。搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统,其中拼接镜是由4块对边长为100mm,曲率半径为2 000mm的正六边形球面反射镜组成,利用白光(400～700nm)远场光斑相干性测量拼接主镜各子镜间平移误差的方法进行了理论与仿真分析。利用波前探测器和主动光学技术实现了拼接镜精共焦误差的检测与调节,通过远场光斑相干性和主动光学技术实现了粗共相的检测和调节。实验表明:该方法耗时短、能量利用率高,可实现无限量程、±250nm精度的检测和调节,适合拼接镜的粗共相检测和调节。     

电容传感器及其纳米量级定位技术

介绍了大型天体望远镜光学镜面面形的控制方法和工作原理。该大型天体望远镜10m直径的主镜由36块对角线长1.8m的六角形子镜拼接而成,应用电容测微技术使此超大型镜面的共面性达到纳米量级的定位控制,通过检测原理的分析,阐述了电容式传感器在使用中提高其准确度和长期稳定性的理论分析和具体技术措施,并提出新型涂敷式差动传感器,采用新材料和高集成度的新器件,以满足传感器在温、温度变化大的条件下实时监测的要求。     

基于双环电阻传感器的管道内壁腐蚀监测技术研究

为实现管道内壁腐蚀的全周向在线监测并提高测量精度,在传统电阻法的基础上提出一种基于双环电阻探针的腐蚀监测方法。双环电阻探针解决了由于几何限制和管道内外壁温差所带来的测量误差。通过对双环探针进行多象限分区,求解各分区的电阻比值,实现了管道全方位的在线腐蚀监测。通过双环探针可以同时实现对管道内外壁的温差计算与实时监测,为湿蒸汽管道冷凝液膜的形成起到预报作用。基于以上研究基础,在实验室X65模拟管路中,分别布置四象限分区双环电阻传感器、传统丝状电阻传感器和高精度热电偶对管道的腐蚀和内外壁温差进行实时监测。试验结果表明：基于新型双环探针的管道内壁腐蚀监测方法,可以完成管道内外壁温差和局部分区腐蚀状态的在线监测,并在腐蚀深度和腐蚀速率的测量上比传统丝状电阻探针具有更高的监测精度。     

An investigation of the robustness of the nonlinear least-squares sphere fitting method to small segment angle surfaces

This paper presents an investigation of the nonlinear least-squares sphere fitting algorithm (TLS_A). The work concentrates on investigating the reliability of the TLS_A algorithm when applied to a small segment angle of a sphere. The definition of small segment angle is discussed in the paper and taken to be below 1° (in both x and y directions) of the spherical surface. This application of the TLS_A method is important when it is used on data from optical scanning systems where the measurements are limited by the gauge range and the angular tolerance of the sensor. The TLS_A algorithm has been first compared with the TLS_D algorithm suggested by Forbes for this application. The results show that the TLS_A algorithm can be used in small surface segment angles. The main study is focused on testing the algorithm on a sphere superimposed with surface irregularities (sensor/measurement noise or roughness). Two properties of the TLS_A algorithm are covered: the bias and the uncertainty of the estimated radius. Both simulation and theoretical approaches have been attempted. A new algorithm to estimate the bias of the TLS_A algorithm has been derived in this paper based on Box's method. Together with uncertainty estimation, which can be produced by using either a conventional method or Zhang's error propagation function (EPF), a comprehensive understanding of the TLS_A algorithm in this application is thus achieved, and used to develop a number of recommendations for the precision metrology of spherical and near spherical surfaces.