应用旋转法实现大口径非球面反射镜零重力面形加工

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工,建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍,并结合一块Ф1290 mm ULE材料的非球面反射镜加工实例,分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法,实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1 mm。然后,在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理,主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS;同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大,进行了针对性去除,面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后,采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工,反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS,去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS,该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径,还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。

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。

大口径离轴非球面加工中能动磨盘面形分析

利用齐次坐标变换理论分析了计算机数控能动磨盘加工大口径离轴非球面反射镜时磨盘底面需要形成的实时面形,给出了通用的盘面实时轮廓的计算方法。以NST(新太阳望远镜)的离轴抛物面主镜参数为例,给出了用现有能动磨盘加工时盘面形状及磨盘变形量的计算结果,并将该方法用于两块轴对称非球面(Φ1030F/1.6椭球面和Φ1250F/1.5抛物面)反射镜的研磨中,加工结果表明该方法可以准确描述加工中磨盘的面形。理论分析、计算和实验结果为今后开展能动磨盘加工大口径离轴非球面反射镜奠定了基础。

一种非球面反射镜有效通光口径的定量化检测方法

有效通光口径是非球面反射镜的一项重要指标参数,但在现有检测工艺中存在着难以定量化检测、测试误差大等问题,导致在后续系统复算过程中难以对成像品质进行正确评估。为了解决这些问题,文章提出在干涉检测阶段采用非线性误差校正的方法来对非球面反射镜的有效通光口径进行检测。首先是通过光线追迹的方法采集一系列干涉仪CCD坐标系和待测反射镜坐标系下的坐标点数据;然后对坐标点数据进行多项式函数拟合,建立两者间非线性误差函数关系;最后以干涉仪CCD坐标系尺度下的有效干涉条纹图形作为输入,反算出镜面尺度下反射镜的实际有效通光口径。在工程应用实例中,对某型号空间相机中的一块米级非球面反射镜进行了实际检测,单边测试精度为干涉仪1个像素所对应的镜面尺度误差,且该方法的测试误差主要取决于测试系统中所选用干涉仪CCD平均分辨率的大小;分别将校正前后的反射镜参数代入到系统中进行复算,光学系统调制传递函数MTF值的偏差达到了0.013@71.5线对/mm。结果表明,应用该方法不仅可以在加工过程中对反射镜的有效通光口径进行实时监测,还能正确评估相机地面装调阶段的光学系统成像品质,在空间光学元件先进制造领域具有重要的工程应用意义。

Ф1300mm非球面反射镜的加工与检测

介绍一块Ф1300mmULE材料非球面反射镜的加工与检测方法。采用非球面超声铣磨、机器人研抛等多个工序组合加工技术完成了非球面反射镜的加工。在非球面检测中,采用大口径三坐标测量的方法进行了研磨阶段的面形检测,通过Z向滤波的方法对面形拟合过程中的噪点误差进行了处理,将研磨阶段的面形精度提高至5μm PV值。在干涉仪测量阶段,采用气囊支撑方法对反射镜的重力误差进行了卸载,通过非线性误差矫正的方法去除了零位补偿检测所带来的非线性误差,反射镜的最终精度达到0.016λRMS。试验结果表明,大口径非球面反射镜各项技术指标均满足设计要求,所用工艺方法适用于加工更大口径的非球面反射镜及其他类型的大口径非球面光学元件。

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.

成像光学工程面临的光学问题

文章简单论述了现代成像光学主要领域的情况 ,指出非球面反射系统是发展的必然趋势。讨论了加工与检验方面的基本情况及应着重深入研究的问题。对镜坯材料也提了一点看法。

一种实现离轴非球面反射镜离轴量和离轴角精确测量的方法

离轴三反系统的装调主要采用初始定位与计算机辅助装调相结合的方法,实际加工过程中由于检测手段的限制,使得离轴量以及离轴角的控制精度较低,根据加工提供的离轴量参数并以其背部平面为基准进行反射镜初始定位会引入较大的初始像差,用计算机辅助装调无法收敛。基于自准直原理,进行反射光路分析,得出离轴反射镜位置与反射像位置的数学关系,并基于以上数学关系提出一种可精确测量离轴反射镜离轴量以及离轴角的系统,该系统包括高精度90°直角弯板、高精度直线导轨、中心定位特种工装、内调焦望远镜以及测微光管,其测量离轴量以及离轴角的精度分别为±0.05mm和±10″。

Φ380mm薄镜面预应力研磨及检测研究

由于大口径望远镜主镜的拼接子镜为离轴非球面,所以增加了镜面的加工和检测难度。为了进一步提高离轴非球面子镜的加工效率和缩短抛光周期,本文利用预应力加载方法和基于蓝牙传输的接触式二维位移传感器阵列检测方法与相关装置,完成Φ380mm口径的离轴非球面子镜的研磨实验。首先介绍预应力镜面加工的原理,接下来介绍Φ380mm微晶玻璃镜面预应力研磨技术的检测方法和加载实验结果,然后介绍预应力研磨的收敛特性,最后利用三坐标测量机和接触式二维位移传感器阵列两种检测方法对研磨镜面的最终面形进行交叉检验。实验结果表明,预应力研磨方法具有可行性和较高的加工效率。

硬脆非球面光学镜精密磨削与自适应控制方法

针对硬脆非球面光学镜硬度高、型面特殊、加工面积大、加工质量要求高的特点,提出了一种基于法向跟踪的、以圆筒形砂轮端面进行磨削的非球面范成精密加工方法。在此基础上,进一步设计了智能化的实时检测与自适应控制方法。应用这些方法实现了磨削运动轨迹的精确控制、砂轮磨损的自动补偿、磨削压力的自动控制、工艺参数的自动调节。实验结果表明:以圆筒砂轮端面进行磨削的、基于法向跟踪的非球面范成精密磨削法可以保证非球面的面形精度,砂轮磨损实时检测与自适应控制方法能提高加工质量和效率。

应用组合加工技术加工2m口径非球面碳化硅反射镜

为解决大口径非球面碳化硅反射镜加工过程中材料去除效率与加工精度之间的矛盾，提出使用组合加工技术进行加工。介绍了组合加工技术的基本原理与数学模型。通过与经典计算机控制表面成形技术（CCOS）加工技术进行对比，说明了组合加工技术的优势。结合工程实例，对一块2040mm口径非球面碳化硅反射镜进行研磨。以其中一次加工周期为例介绍了组合加工技术在大口径非球面碳化硅反射镜加工过程中的应用。经过一次完整的组合加工过程，工件表面面形误差峰谷（PV）值由8．72μm收敛至4．91μm，均方根（RMS）值由0．91μm收敛至0．52μm，证明了组合加工技术的有效性。

大口径离轴非球面碳化硅反射镜的加工

为了研制出高质量光学表面的离轴非球面碳化硅反射镜，提出一套包括铣磨成型、研磨、粗抛光、表面改性以及精密抛光等工序的完备的离轴非球面碳化硅反射镜加工工艺规范。采用Ultrasonic 100^-5数控加工机床直接将Φ600 mm碳化硅反射镜铣磨成离轴非球面，铣磨后反射镜面形精度的峰谷（PV）值为17.17 μm。利用计算机控制光学表面成型（CCOS）技术对离轴非球面碳化硅反射镜进行研磨和粗抛光，使其面形精度的均方根（RMS）值达到0.102λ（λ=0.6328 μm）。采用离子束辅助沉积（IBAD）表面改性技术在粗抛光后离轴非球面碳化硅反射镜表面镀制一层厚度约10 μm的硅改性层，并利用先进的离子束抛光（IBF）技术对表面改性离轴非球面碳化硅反射镜进行精密抛光。最终离轴非球面碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度的RMS值分别达到0.018λ和0.6968 nm。加工结果表明提出的加工工艺规范完备，适用于离轴非球面碳化硅反射镜的加工。

一种离轴凸非球面补偿器的研究

凸非球面,尤其是离轴凸非球面的光学检验一直是非球面加工中的难点。针对离轴凸非球面光学元件加工检验困难的问题,研究了一种改进的Hindle方法,解决了经典的透射式Hindle方法需要大口径辅助弯月透镜等不足。针对大口径离轴凸非球面的检测,设计了一个特殊结构的补偿器组,并对补偿器的加工和装调进行分析、仿真和优化,对整个补偿检测系统进行公差分析,并给出了相应的结果,同时也可以把此设计推广到更大口径的离轴凸非球面镜的面形检测中去。