大口径非球面的组合加工

为提高大口径非球面光学反射镜研磨与抛光阶段的加工效率,提出了一种采用多磨头组合方式同时提高材料去除效率和面形收敛率的加工方法。该方法基于矩阵运算,在一次优化过程中同时优化多个加工循环,并对传统的单去除函数驻留时间求解过程进行扩展,以实现多去除函数的综合优化求解。由于扩展了驻留时间求解范围,使大磨头和小磨头在加工过程中优势互补,实现了多个磨头多个加工循环的全局优化。最后,采用计算机虚拟加工的方法对等厚和实际加工中的面形误差进行加工模拟。结果表明:与传统的驻留时间求解算法相比,提出的方法使加工效率提高了50%,RMS收敛率与小磨头相当。实际面形仿真加工结果显示,RMS由0.011 5变为0.004 4,收敛率为0.621 2,满足实际加工要求。该技术有效缩短了加工周期,具有很强的实用性。

环形子孔径拼接检测大口径非球面镜的规划模型及分析

环形子孔径拼接技术是一种无需辅助元件就能检测旋转对称大口径非球面镜的有效手段。根据该技术的检测原理,从几何光学的角度建立了子孔径规划模型,给出了模型数值求解的具体方法。以一口径为700 mm、中心遮拦为160mm、顶点曲率半径为3 000 mm的抛物面镜为例进行了数值计算,且从物理光学的角度对数值计算结果进行了进一步分析和解释,并进行了初步的实验研究。结果表明,该模型具有较好的预测效果,可为实际检测方案设计提供理论依据,使得检测过程可控、量化和可重复。

大口径非球面元件可控气囊抛光系统

根据大口径非球面光学元件的实际加工需要,设计并制造可控气囊抛光系统,并对机构进行运动学仿真,仿真结果表明,气囊自转轴的运动空间可以满足大口径非球面光学元件的连续进动加工要求。为了证明所设计系统的可加工性,以直径320mm的圆形平面光学元件进行加工实验。经过该气囊抛光工具24h的抛光后,工件达到较好的面型精度,光学元件的表面粗糙度由0.272λ减小到0.068λ(λ=632.8nm),PV值从1.671λ降低到0.905λ。对光学元件的实际加工实验结果表明:可控气囊抛光系统在加工过程中结构稳定性好,符合设计要求,可有效提高加工工件面型精度。

以环形子孔径扫描法测量大口径非球面的研究

总结非球面常用检验方法在应用中优、缺点的基础上,使用环形子孔径扫描法来测量大口径非球面。这种方法使被测元件相对于参考波前的斜率差减小到干涉仪允许的测量范围内,每次测量仅是被测表面的一部分,通过算法实现数据“拼接”,从而得到整个面形信息。该方法无需辅助光学元件即可实现对大口径、大相对口径非球面的直接测量,为大口径高精度非球面的加工检验提供了有效手段。

用非零位补偿法检测大口径非球面反射镜

研究了利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的方法,以实现非零位补偿法对大口径非球面的测量。分析和研究了该技术的基本原理,并基于齐次坐标变换和最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;分别开发了圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的算法软件;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并分别利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接实现了对一口径为350 mm的双曲面的检测。对待测非球面进行了零位补偿检测实验,结果显示,圆形子孔径拼接与全口径补偿测量结果的PV值和RMS值的偏差分别为0.031λ和0.004λ;环形子孔径拼接与全口径补偿测量结果的PV值和RMS值的偏差分别为0.028λ和0.006λ;3种方法测量所得的面形分布都是一致的。所提出的方法提供了除零位补偿检测外的另一种定量测试大口径非球面的手段。

子孔径拼接检测大口径非球面技术的研究

为了无需其他辅助光学元件就能够实现对大口径非球面的测量,提出了子孔径拼接干涉检测方法。并基于齐次坐标变换、最小二乘法以及Zernike多项式拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;开发了子孔径拼接检测非球面算法软件,进行了计算机模拟和仿真实验;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并利用子孔径拼接实现了对口径为350 mm的双曲面的检测;为了分析和对比,对待测非球面进行零位补偿检测实验,子孔径拼接所得的面形分布和零位补偿检测所得的全口径面形分布都是一致的,其面形误差PV值和RMS值的偏差分别为0.032λ和0.004λ(λ=632.8nm)。从而提供了除零位补偿检测外另一种定量测试非球面尤其是大口径非球面的手段。

以环形子孔径法检测大口径非球面主镜的研究进展

环形子孔径法是一种无需辅助元件就能实现对大口径、大相对口径非球面检测的“柔性”测试技术。介绍了该技术的工作原理,对两种分别基于测量相位值和Zernike多项式系数的拼接算法进行了仿真分析,并进行了初步的原理性实验验证。结果表明该技术是切实可行的,具有检测大口径非球面镜的潜能。最后,在对现有研究结果综合分析的基础上,提出了应用该技术检测m量级非球面主镜的实验方案。

大口径非球面光学研抛压力控制系统

根据大口径非球面光学元件研抛工艺的需求,基于行星式研抛装置设计了一种新型的双路气压平衡研抛压力控制系统。该系统利用低摩擦气缸,压力传感器和两个电气比例阀构建研抛气压闭环回路。分析了系统工作原理,建立了压力控制系统的非线性模型。为了实现恒压控制,运用前馈控制及双模态PID控制算法设计了复合控制器。实验结果表明,该系统能实现研抛压力的平缓过渡,可完成研抛压力的无级调节和柔性控制,输出研抛压力在0到350N可调,稳态压力波动小于1N,对气缸活塞位移波动干扰有较强的鲁棒性。该系统基本满足研抛系统对研抛压力稳定性和精确度的要求。

大口径非球面Ronchi光栅测量方法

在对非球面加工过程中常用检测方法的优缺点进行比较的基础上，介绍了Ronchi光栅法的系统组成、工作原理和数据处理方法，并进行了光栅频率和灵敏度分析．通过对Ronchi光栅的频率、灵敏度的分析比较，发现可以通过改变其频率来实现犬口径非球面不同加工阶段2～200μm范围内的误差检测。该方法制作简单，使用方便。它的深入研究，将为犬口径非球面精磨和初抛光阶段提供一种有效、可靠的定量检测手段。

磨削阶段大口径非球面拼接测量技术

为实现对磨削加工阶段大口径非球面光学元件的精密测量,提出一种基于坐标测量的多段拼接综合优化数据处理模型。基于多体系统理论、最小二乘原理建立两段面形轮廓拼接数学模型;提出基于曲率原理和非球面方程最小二乘拟合的冗余数据剔除数学模型;建立多段拼接的综合优化处理模型;利用Taylor Hobson轮廓仪对口径为176 mm的非轴对称非球面光学元件的3条母线进行分段测量试验并通过文中提出的数学模型进行数据拼接处理,试验结果表明,拼接测量结果与单次测量结果相比,误差最大值的平均值为0.25μm,最小值的平均值为–0.22μm,比该光学元件的面形峰-谷值2.77μm高出一个数量级,达到检测要求。试验结果证明所提多段拼接综合优化数据处理模型的正确性及有效性,该模型可以进行工程应用。

大口径非球面镜交叉磨削中波纹度产生机理的研究

基于大口径非球面镜交叉磨削加工方式,分析主轴偏心振动幅值和磨削工艺参数对其表面波纹度的影响,建立磨削表面波纹度形成机理三维模型。通过仿真试验分析磨削表面三维波纹度与加工工艺参数的关系,提出特定主轴最佳磨削工艺参数匹配方案。磨削试验结果表明:建立的三维表面波纹度模型与磨削工艺参数关系合理,最优的磨削工艺参数匹配方案为砂轮转速1600~1800 r/min,X轴进给速度1~3 mm/r,工件旋转速度20 r/min。

用于大口径非球面的波前功率谱密度检测

光学元件加工质量的检测和评价工作是保证整个光学系统安全、正常运行的关键。在总结非球面常用检验指标优、缺点的基础上,讨论了测量大口径非球面的波前功率谱密度时的系统组成、工作原理和软件设计的总体思路。为了减少系统误差的影响,求解波前功率谱密度时,通过引入系统传递函数校正测量值来实现。使用大口径相位干涉仪作为波前检测仪器,证实波前功率谱密度能定量给出波前畸变的空间频率分布,并用于作为大口径光学元件质量的评价标准。给出一个测试口径为64mm×64mm光学元件测试结果,有效频率为0.03mm-1～3.87mm-1,rms为0.0064λ。

激光跟踪仪检测大口径非球面方法研究

大口径非球面反射镜研磨阶段,在准确测试几何参数的同时,面形也要达到一定的精度要求。利用数值模拟测试过程的方式,评估了使用三坐标测量仪和激光跟踪仪轮廓检测几何参数及面形的精度。针对2m口径抛物镜的检测指标要求,提出了一种有效的轮廓检测方法。使用4台激光跟踪仪搭建了多边测量系统,采用Levenberg_Marquardt算法进行系统标定,利用新型靶球实现多台跟踪仪对镜面点的同步快速采集,对测试数据进行平差和坐标系转换处理,最终获取几何参数和面形。2m口径抛物镜研磨完成后进行了测试,顶点曲率半径、非球面系数、面形rms的误差分别为0.16mm、0.0006、1.06μm。

利用三坐标测量仪拼接检测大口径非球面面形

为了利用三坐标测量仪实现对大口径非球面面形的检测,提出了大口径非球面面形三坐标拼接测试方法。对该方法的基本原理与具体的实现流程进行了分析和研究,并基于初级像差理论和最小二乘拟合建立了三坐标拼接检验大口径非球面综合优化数学模型。结合实例,对一口径为1 200 mm×434 mm的长条形SiC离轴非球面反射镜进行了两个子孔径的三坐标拼接检测,并将拼接测试结果与非球面全口径轮廓检测结果进行了比对,其PV值和RMS值的偏差分别仅为0.073μm和0.042μm;两种方法面形残差的PV值和RMS值分别为0.325μm和0.055μm。

大口径非球面光学元件测量调心调平工作台系统研究

为避免大口径高精度非球面光学元件在进行离线测量时存在位姿误差,提出一种精密调心调平工作台设计方案,解决了非球面镜在离线测量时因装卡不当造成的X、Y、Z方向偏差的问题。通过分析转台与非球面在空间6个自由度上存在的相对位姿误差,并以最小二乘法为基础数学理论、模型参数评估为导向,建立基于最小二乘法的优化模型。结果表明:该模型在校正上述误差源上具有极高的精度,验证了所提出的精密调心调平工作台可作为一个独立附件来改善大口径非球面光学元件的加工与测量环境,提高磨削加工精度。

大口径非球面磨削阶段在位检测技术研究

提出了一种在大口径非球面元件磨削阶段使用的在位检测技术。该技术利用非接触式测头构成在位检测装置,集成在数控加工机床上,直接对磨削后的工件表面进行在位检测。介绍了该技术的检测原理及过程,探讨了测头误差对测量精度的影响,提出测量数据旋转拼合方法及面形拟合方法。结合实例,对一口径为340mm的回转对称非球面元件进行在位检测,并将检测结果与Taylor Hobson PGI 3D轮廓仪测量结果进行了比对,二者测量结果的PV值偏差为0.10μm,RMS值偏差为3.86μm。利用本文的在位检测技术指导非球面加工可大大缩短检测时间和成本,在工程上具有较高的推广和使用价值。

大口径非球面精密加工技术综述

大口径非球面镜具有成像质量高、体积小、重量轻的特点,随着天文科技的发展,对大口径、高精度的非球面反射镜的需求不断增加。然而大口径非球面的应用主要局限于它的加工比球面要困难的多。介绍了国内外大口径非球面精密加工技术的发展。对计算机非球面表面成型技术、应力抛光技术、磁流变抛光技术、离子束抛光技术等非球面加工技术进行了综述。

大口径空间非球面反射镜加工与检测技术研究

空间非球面反射镜在现代光学系统中发挥着重要作用,然而其复杂的曲率和大口径特性使得其加工和检测变得更加困难和复杂。该文研究当前大口径空间非球面反射镜加工与检测技术的最新进展和应用。通过对这些技术的研究,该文为提高大口径空间非球面反射镜的加工和检测质量提供重要的参考和指导。

大口径光学非球面镜先进制造技术概述

在光学系统中使用非球面可以有效校正像差,改善像质,进而简化系统结构;并且增大系统口径可以从根本上提高系统的分辨本领,因此在基础科学研究、天文学宇宙探测以及国防安全等领域都对大口径非球面镜有着迫切需求。大口径非球面的制造在现代光学制造工程中扮演着重要的角色。本文以大口径非球面镜的先进制造为主题,对大口径非球面镜的光学加工技术,特别是研磨抛光技术及其过程中所采用的面形检测方法进行了综述,特别总结了新一代先进光学制造的技术特征,展望了未来大口径非球面镜的制造策略。

大口径非球面镜检测中激光跟踪仪测角误差研究

为了满足大口径反射镜研磨阶段的面形检测需求,分析了激光跟踪仪测角误差的来源,提出了一种基于S多项式拟合的矫正测角误差的方法,该矫正方法能有效克服采样位置误差和随机误差带来的影响。针对不同频段测角误差,提出母线和米字格采样法,其中母线采样法对10%以内的标定实验随机误差有较好的抑制作用。矫正方法的可行性得以验证,从而为进一步实验提供了理论基础。