Design of a six-axis high precision machine tool and its application in machining aspherical optical mirrors

The paper presents the design of a six-axis machining system and its application in fabricating large off-axis aspherical mirrors with sub-aperture lapping techniques. The new system is based on computer-controlled optical surfacing (CCOS), which combines the faculties of grinding, polishing, and on-machine profile measuring, has the features of conventional loose abrasive machining with the characteristics of a tool having multiple degrees of freedom moving in planar model. And a novel dual touch-trigger probe profiler is designed, which is composed of a probe, model METRO-MT60 made by HEIDENHAIN Co., is integrated into the system for measuring the shape accuracy of the tested aspherical surface, another probe modeled METRO-MT12 is designed as a calibrating device for minimizing the cosine error caused by assembly inaccuracy. The new CNC machining system with two kinds of moving coordinate systems, dual tool activities and on-machine measuring is presently developed based on the new concept. The general material removal function during machining is analyzed on the basis of the Preston hypothesis. Further, an alignment test of the measuring profiler is carried out using a leveling rule as a specimen. The accuracy of the optical surfaces measured by the dual probe profiler is found to be within 1 μm PV after removing cosine error and error compensating, achieves to the resolving power of the profiler is about 0.2–0.5 μm, so the developed system can be applied to the shape accuracy measuring of aspheric fabrication with micro precision during fine grinding process according to the calibrating results. Finally, the manufacturing experiments are carried out by virtue of an off-axis oblate ellipsoid mirror with rectangular aperture as 770 mm×210 mm and centered 127 mm. The accuracy of the aspherical mirror improved from the initial form error of 17.648 μm rms to the final one of 0.728 μm rms after grinding for 200 h.     

非球面测量系统与数据处理技术研究

基于上下位机结构设计光学非球面检验系统,采用工控机作为上位机,下位机由运动控制卡和数据采集卡构成.通过计数器协调运动控制单元和数据采集单元的动作,可实现检测过程坐标的准确定位和高精度的数据采集.对一般非球面方程进行变换后,采用最小二乘拟合算法对数据进行曲面拟合处理.并可适当增加测量点数据来减少测量误差.通过数据实验表明...     

联合变换相关器傅里叶变换镜头光学系统设计

针对联合变换相关器的目标识别的设计要求,为提高联合变换相关器光学特性,本文提出三片式傅里叶变换透镜的设计。该设计根据电寻址液晶EALcD和CCD对傅里叶变换透镜的匹配要求确定设计参数。工作波长为O．6328,um,焦距200mm,全视场角4°,相对孔径1：4。系统引入偶次非球面,使镜头结构紧凑、重量轻、筒长短。设计结果表明：在空间频率501p／mm时,光学系统的MTF大于0．8,接近衍射极限,像质优良,满足联合变换相关器的总体设计要求。     

超精密非球面镜面计算机辅助设计与应用

非球面镜面加工技术的研究已经成为先进制造技术的核心问题之一,相关的超精密装备制造关键技术除了机床本体,最重要的是系统控制软件及应用软件的开发,这是制约自主产权的超精密加工装备技术发展的瓶颈问题之一。结合作者在日本从事NEDO项目合作的实际经验,深入细致地阐述了超精密非球面镜面计算机辅助设计(CAD)系统的算法原理、系统结构及系统实现,并通过实际的光学镜面设计实例,介绍SGT-CAM软件系统具体开发及应用,为超精密非球面镜面的计算机辅助加工打下了基础。该系统已经成功地应用于自行开发的小型超精密镜面加工机SGT100上,形状误差小于100纳米,表面粗糙度小于5纳米,得到有关专家的充分肯定。     

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。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

大口径非球面系统的共基准加工与检验

针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点,提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法,对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8nm)时,对主镜和第三镜进行共基准装调和测试,并进行背板一体化装嵌,然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例,对一大口径非球面系统口径为724mm×247mm的非球面主镜和口径为632mm×205mm的第三镜进行了共基准加工与检测,最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ,满足光学成像。     

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.     

高精度非球面加工双轴动平衡监控技术研究

提出一个智能型双轴动平衡监控系统, 针对高精度加工中工件和工具的振动会相互作用而影响加工效果,该系统同时对砂轮主轴和工件主轴进行平衡,集中处理工具和工件的振动数据,综合分析整个加工系统的平衡效果及工件的表面误差情况,从而达到减少工件加工误差,降低设备磨损,提高磨削加工精度的目的。实验结果表明,对振动数据的分析是正确的, 可实现高精度的非球面加工。     

子孔径拼接干涉法检测非球面

介绍了子孔径拼接干涉检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,基于齐次坐标变换、最小二乘法和Zernike多项式拟合建立了一种合理的拼接算法和数学模型。对一抛物面镜进行了五个子孔径的计算机模拟拼接实验,拼接前后全孔径面形误差分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为-0.009 2 λ和0.0013 λ;全口径相位分布的PV值和RMS值的相对误差分别为-0.39%和0.44%。实验结果表明,利用子孔径拼接技术不需要零位补偿就能实现对较大口径非球面的测量。