30m望远镜三镜镜面面形误差的斜率均方根评价

由于传统的均方根方法在评价大口径反射镜时难以精确表达光学表面的中空间频率误差,本文提出了基于斜率均方根(SlopeRms)的误差评价方法来评价光学表面面形。该方法先以Zernike多项式拟合光学表面面形,在此基础上求解不同空间间隔上的斜率均方根。这种评价方法可以很好地区分小尺寸磨削工具造成的误差和大口径反射镜在多点支撑下造成的面形误差。文中建立了SlopeRms的数学模型,推导了SlopeRms的计算方法,并以此方法为基础对30m望远镜(TMT)三镜面形进行了评价。结果显示,采用斜率均方根的评价方法得到的光学表面面形值达到0.9μrad,优于传统的RMS评价方法(RMS=115nm),满足设计要求。结果显示,基于斜率均方根的误差评价方法能更加全面和客观地评价大口径反射镜面形,具有实际意义。

斜率均方根在TMT三镜面形评价中的应用

为了更好地评价30 m望远镜三镜(TMT M3)的反射镜,本文结合系统频域特征以及斜率均方根,对于其检测、评价的基本原理进行研究。首先根据斜率均方根(slope RMS)的定义,基于正弦多项式,对于其基本性质进行推导与分析;然后,针对斜率测量,提出slope RMS的分离与合成方法,为提出符合TMT招标方要求的检测评价方法提供理论基础;最后,将本文方法应用于TMT三镜仿真数据,检验了本文假设的正确性与方法的可行性。

三维表面粗糙度的均方根斜率评定

基于分形几何理论，通过分析随机表面的轮廓谱矩和表面谱矩的特性，提出了三维粗糙表面的均方根斜率评定方法，并用平磨样块试验证实了该法的正确性。

利用散射辐射分布矩测量表面轮廓均方根斜率

为了利用激光散射分布测量表面粗糙度参数,从分析高斯粗糙表面非傍轴散射光能量的角分布特征与轮廓均方根斜率之间的关系,得到了利用散射角分布进行粗糙表面横向粗糙度参数的测量方法。提出了散射光的两个特征值:辐射立体角密度矩M(θ)和M(φ),用以表征散射光能量立体角分布情况,并给出了在非傍轴远场条件下的测量和计算方法。实验证明,给出的特征参数能够得到散射光能量立体角分布特征并可用于测量粗糙表面横向形貌参数。

TMT三镜面形评价过程

TMT望远镜是一台R-C式的30 m口径光学红外望远镜,其三镜为椭圆形平面镜,口径为3.594 m×2.568 m,质量达到1.8 t。三镜系统需要把来自于次镜的光折转到望远镜两侧奈氏平台的科学仪器上,具有跟踪和快速定向功能,因此三镜位置也是三轴正交运动的结果。三镜支撑系统必须能够在多工况、变载荷的条件下有效保证镜面的面形精度,所以依据TMT项目组要求面形结果需优于1/5波长(λ=632.5 nm)或者斜率均方根小于1μrad。以三镜支撑的一种方案为例详细阐述了TMT三镜面形评价的过程。这一方案中底支撑采用18点whiffletree结构形式,侧支撑采用8点A-frame结构形式。首先通过ANSYS建模仿真,然后使用MATLAB进行数据后期处理,依次去除结果中包含的刚体位移项、离焦和像散等,最后使用9个子孔径来拼接归一化的三镜,同时计算每一个子孔径的斜率均方根。这一数据处理方法有别于以往圆形主镜镜面评价的过程,但适合对TMT三镜椭圆镜面面形评价,且在光学系统中斜率均方根比均方根在镜面面形评价上更有意义。对于大口径反射镜镜面面型评价具有重要的指导意义。

Slope RMS在三镜支撑设计与面形评价中的应用

针对镜面面形均方根(RMS)无法反映表面面形的空间频域特性,借鉴了国际上先进的斜率均方根(Slope RMS)作为面形评价方法。本文以2 m级望远镜三镜作为例子,将Slope RMS作为优化目标函数,计算了支撑点的位置,给出的支撑之后面形误差RMS值为6.88 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.17809μrad。利用Zernike多项式作为面形拟合基底函数,将对成像质量没有影响的刚体位移从面形误差中分离出来,得到最终的面形误差的RMS值为3.30 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.15943μrad。研究结果表明,以Slope RMS为目标函数优化支撑点的支撑结果位置满足光学设计的要求,对更大口径光学元件的支撑设计提供了一种指导方法。

以激光散射立体角分布测量表面横向形貌参数

为了利用光学非接触方法测量表面横向形貌参数,从Beckmann-Kirchhoff标量散射理论出发,分析并得到了高斯粗糙表面激光散射能量的立体角分布特征与轮廓均方根斜率之间的关系。提出了散射光的两个特征值:经度及纬度辐射立体角密度矩,用以提取散射光能量立体角分布情况,并给出了利用数字图像信号在非傍轴远场条件下测量和计算特征值的方法。实验证明:给出的特征参数和测量方法能够得到激光散射立体角分布特征并可用于测量粗糙表面轮廓均方根斜率。

水蒸气润滑干气密封启动过程研究

水蒸气为实际气体,研究水蒸气润滑干气密封的启动过程,对汽轮机密封的启动、运行有重要意义。选用GW模型,由实验确定接触模型参数。经实验确定的接触模型参数为:微凸体曲率半径R=3.7310μm,微凸体面积密度η=0.1458μm^-2。在开启过程中,随着转速增加,气膜承载力持续增加,闭合力保持不变,接触力迅速减小至零。当转速达到一定值时,气膜承载力与闭合力相等,此时,密封端面完全脱开。以微凸体曲率半径R为变量时,R增大,接触力增加、气膜承载力减小;以微凸体面积密度η为变量时,η增加,接触力增加、气膜承载力减小。将本文接触模型数据和Etsion等的模型数据对比,分析接触模型参数对开启性能的影响。发现依据本文接触模型数据计算的接触力稍小、开启力稍大、槽根压力稍大,在低转速时,泄漏率稍小、开漏比稍大。