高次非球面的工艺技术研究

高次非球面在光学系统应用中意义重大,但是一直以来缺乏一套快速、有效的工艺方法。利用VC6.0编制了一款面型计算软件以辅助加工,并提出了一种新的高次非球面补偿检验方法。针对一块巡天光谱仪中口径Φ244 mm的一面平面另一面为高次非球面的改正镜开展工艺方法的设计与研究,从铣磨成形开始,根据高次非球面的特点提出了几种新型磨削工艺,建立相应的数学模型。由于高次非球面的特殊性,试验了数控铣磨直接成型法,很大程度上降低后继工艺难度,在细磨和抛光阶段采用数控小工具和整工具研磨相结合,能够很好地克服面型不平滑等技术难题。总结出了一套高效率、低成本、高精度的高次非球面工艺方法。

非球面数字波面检测技术

提出了一种快速检测浅度非球面(非球面度小于0.01mm)的方法,该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面,剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后,得到实际被测镜面的面形分布数据;根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据,得到理论波面数据,用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差,即面形误差。利用该方法测量了一口径为135mm的双曲面,并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当,说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。

特大非球面度离轴非球面补偿器结构设计与装调

针对快焦比特大非球面度离轴非球面反射镜,设计了3片式Offner补偿器。为应对3片式补偿器对中心偏差及镜间隔严格的公差要求,设计了相应的补偿器镜筒结构。该结构使透镜中心倾斜及平移调整相分离,实现补偿器的高精度装调。根据中心偏差测量仪的测量结果,2片补偿镜之间倾斜误差4.4″,平移误差3.5μm,镜间隔误差3.8μm;补偿镜组与场镜之间倾斜误差5.3″,平移误差4.2μm,镜间隔误差7.2μm,满足检测使用要求。利用该补偿器及4D动态干涉仪对精抛光阶段的离轴非球面进行检测,面形结果PVq值达到0.135λ,RMS值达到0.019 5λ,优于设计要求。

离轴非球面在细磨与粗抛阶段的波面再现技术

基于付科法的离轴非球面波面再现检测技术,通过对付科检测过程的数学分析,建立了离轴非球面波面再现的数学模型,提出了波面整合算法,通过对两幅阴影图灰度值积分、去倾斜及波面整合等数据处理再现出被检离轴非球面的波面误差.在被检离轴非球面两个方向的弥散斑分别为0.152mm和0.284mm时,干涉检测得到其面形误差峰谷值为1.110μm、均方根值为0.194μm,且两种检测方法的波面轮廓相一致.实验结果验证了基于付科法的离轴非球面再现技术的正确性,可以应用于指导离轴非球面在细磨粗抛阶段的加工并且实现与精抛光阶段干涉检测的有效衔接.

离轴非球面零位补偿检验的非线性畸变校正

在大口径、快焦比非球面的补偿检验中,入射光线在短距离内发生大角度急剧折转,导致干涉仪面形检验结果图像产生非线性畸变,严重影响了数控小磨盘抛光的位置精度和误差去除效率。为了校正离轴非球面在补偿检验中产生的图像畸变,提出了一种校正非线性畸变图像的方法,通过同心环带法确定畸变中心位置并利用光线追迹建立被检镜到干涉图的映射关系。针对某一光学系统的520 mm×250 mm的离轴抛物面主镜进行了畸变图像的校正,校正结果面形与工件面形的位置偏差降到1 mm以下,满足小磨盘抛光的工作要求。

大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺的研究

通过将多块不同尺寸的碳化硅平面试片以及一块口径为520mm碳化硅凹非球面反射镜作为镜面改性工艺技术的实验平台,对大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺技术进行探索、分析和研究。重点研究了前期PVD改性前镜面特性与PVD改性层的最佳匹配关系,主要是PVD改性层与镜面粗糙度和残留面形误差的要求和最佳结合点。采用的抛光方式为磨盘相对镜体做行星运动,采用相同的离子束辅助沉积法进行凹椭球面碳化硅反射镜的镜面改性。实验结果表明:通过选用合适的方案对改性后的PVD改性层镜面的面形误差进行修抛,可同时提高其镜面光洁度和粗糙度,最终测试结果为0.756nm(Sq),与改性前比较,粗糙度得到一定程度的提高。

基于非线性优化方法的离轴非球面轮廓测量面形恢复技术

轮廓测量是非球面光学镜面的重要测量手段,然而在测量过程中由于测量坐标系与理论坐标系间存在偏离,测量结果中存在误差.本文分析了离轴非球面的测量坐标系与理论坐标系间的平移和偏转误差在面形结果中引入的测量误差形式,根据最小二乘原理建立优化函数,依照函数特性通过数值差分法快速求解梯度并利用非线性优化方法优化偏差,从而将该误差从测量结果中剔除.仿真分析表明这种方法能在镜面面形残差和测量系统的随机误差的影响下有效恢复镜面面形信息.利用该方法实际指导直径为570 mm的离轴椭球面的加工,经过四个周期的测量-研磨过程使该镜面面形误差的PV值从34.80μm收敛至13.83μm,RMS从3.28μm收敛至1.89μm.为了进一步比较,对一块220 mm×96 mm矩形离轴椭球面测量,验证了该方法测量异形离轴镜面的适用性和通用性.

大口径光学平面瑞奇-康芒检测技术的研究

在瑞奇-康芒定量检测中,被检数据中除了被检平面本身所固有的像散以外,还存在由于大曲率所造成的像散,这样就很难得到准确的被测平面面形误差,给指导镜面加工带来困难。对瑞奇-康芒检测法中由于瑞奇角产生的压缩图像进行展开,同时旋转被测平面进行推导,该方法将被检平面高低误差和被检平面本身的像散进行分离,使得检测结果更加准确地反映被检平面面形。通过与其它检测方法的比对,可以证明此方法的可行性、可靠性。给出了大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)项目中的MA大口径平面子镜的检测实例。

刀口定量检验技术的研究

主要介绍天文镜面加工中的刀口定量检验技术，包括阴影图像ＣＣＤ实时采集、图像处理、定量计算。

阴影检验中的气流排除技术与方法

介绍利用微机图像处理技术消除气流在天文镜面检测中的干扰，提高天文镜面检测质量，达到大幅度缩短天文镜面加工周期的目的。

Φ520mmF/1.6椭球面反射镜加工

介绍了一块Φ520mm大相对孔径(F/1.6)轻量化椭球面反射镜的加工与检测方法。镜面的有效口径为Φ502mm,顶点曲率半径为1600mm,非球面系数k=-0.9663,面形精度要求优于0.025λ(RMS)。镜子背面有54个大小深浅不一的不通孔,用于减轻镜子的重量。采用WYKO干涉仪检测得到镜面面形误差达RMS0.02λ,λ=632.8nm。

一种可矫正图像横向偏移的光学镜面相位恢复算法

在光学镜面相位恢复检测中,由于CCD相机的横向失调和光路中倾斜误差的存在,采集图像会发生错位,影响检测结果的准确性.为了克服光路校准带来的困难,基于快速傅里叶变换图像配准算法以及梯度相位恢复算法,提出了亚像素图像配准相位恢复(SIRPR)算法.通过仿真,验证了该算法对于光路的横向偏移和镜面倾斜具有良好的矫正作用.对一块直径为110mm的凹面反射镜进行实验测量,并利用SIRPR算法处理含明显错位光斑的光强图,将计算获得的面形结果与干涉仪直接测量的结果进行对比,面形之差的方均根值为0.1047λ(λ为波长),验证了算法的准确性.

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。