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。

KBA型X射线显微系统

KBA型X射线显微镜的物与像不在同一水平面上,采用双对准方式解决了在靶室安装这套仪器的困难。与通常的光学系统不同,KBA显微镜的伪光轴与实轴夹角8.748 6°,设计了观察系统,保证了掠入射角的要求。KBA显微镜的物方孔径角很小,用可见光装调焦深很大,无法满足要求,因此设计了辅助光学成像系统,满足了焦深为±5mm的要求。

空间光学系统技术发展探讨

文章总览国际典型大科学工程和计划,对空间光学系统技术在过去20年的发展做出了简要的归纳和总结。同时通过跟踪一些领域前沿和技术生长点,指出了一些可能对未来空间光学系统带来重大改变的方向。

大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术

针对大口径离轴凸非球面面形检测的困难,本文将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接干涉技术相结合,提出了凸非球面系统拼接检测方法。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型。当离轴三反光学系统的主镜和三镜加工完成以后,对整个系统进行装调和测试,并依次测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息,从而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障。结合工程实例,对一口径为287 mm×115 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,经过两个周期的加工和测试,其面形分布的RMS值接近1/30λ(λ=632.8 nm)。

KBAX射线显微镜分辨力模型

综合考虑了几何像差、衍射效应和加工精度等因素对KBA X射线显微镜分辨力的影响,构建了分辨力模型。通过光线追迹模拟得到了不同视场位置的边缘响应函数,以20%～80%的评价标准确定了几何像差分辨力。由构建的空间分辨力模型得到理论分辨力。KBA X射线显微镜整个视场几何像差分辨力、理论分辨力和实测分辨力基本一致。用单层膜KBA显微镜获得的X射线成像结果,得出中心视场的分辨力约为4μm,±100μm视场的分辨力优于5μm。实验结果表明,几何像差对空间分辨力影响权重相对较大,是影响空间分辨力的决定性因素,其它因素的影响相对较小。

KBA X射线显微镜装调方法研究

KBAX射线显微镜为非共轴、掠入射软X射线成像系统,集光立体角很小,像质又要求非常高,这使得四个反射镜的安装位置要求相当严格。通常的位置或角度计量工具,在激光聚变靶室内空间受限的条件下,很难达到这么高的精度。因此为了保证KBA的成像质量,采用精度4″的测角仪使双反射镜的夹角误差小于20″。掠入射角对成像质量影响很大,为了使掠入射角小于10″,用自己设计的光路系统保证了掠入射角的精度要求。KBAX射线显微镜系统的主镜的孔径角4×10-6sr,无法实现锐聚焦。因此设计了一个辅助物镜代替它的主镜以实现锐聚焦。在某大型激光装置上进行的惯性约束聚变诊断实验中,运用这些方法所装调的KBAX射线显微镜获得了靶标(周期20μm,线宽6μm的无金膜镍网格)的清晰图像。

非共轴掠入射KB与KBA X射线显微镜的成像特性分析

由于X射线在介质中被强烈地吸收,加之介质的折射率在X射线波段略小于1,这些因素给X射线成像增加了很多难度,常规的成像方法难以适应X射线波段,目前多采用掠入射反射成像和编码孔径成像方法。详细分析掠入射情况下单镜及双反射镜的成像特性,对组成KBA显微镜的反射镜在掠入射条件下的焦距、视场倾斜、光阑位置等进行研究。研究结果表明:对于双反射镜结构,掠入射角为双反射镜夹角1/2时视场倾斜最少,光阑放在第2个镜子上成像质量优于放在第1个镜子上。最后分析KBA显微镜结构安排的合理性,从而为KBA显微镜设计和加工提供理论依据。

三反射镜空间遥感器的光学设计

通过选取三镜消像散(Three-mirror anastigmat,TMA)的结构形式介绍了共轴系统离轴使用的方法。TMA系统由三个二次曲面镜、一个变形镜和一个快速稳像镜构成。根据三镜系统的初级像差理论推导出了系统的初始结构,利用自动光学设计软件Zemax对初始结构进行了像差优化设计。采用两种优化方法来保证系统的出瞳与变形镜重合,以便于校正主镜的剩余误差。所设计出的光学系统的成像质量可接近衍射极限,满足了系统对成像质量的要求。

22m焦距太空望远镜光学设计

在三级像差理论上对大视场小体积的三反消像散系统进行了探讨，采用了共轴设计、偏置视场使用的成像方式，采用了拼接主镜，对系统进行了相应的误差分析，并在光路的中间像附近引入双折叠镜，通过多次反射压缩光路，有效降低系统体积。设计了一个长焦三反系统，焦距为22m，视场角为0．8°×0．1°，引入折叠镜后系统总长约f’／5-f’／5．5，结构简单。

大口径反射镜面形误差对光学系统像差特性的影响

依据波像差理论和坐标变换分析了大口径反射镜面形误差对光学系统初级像差特性的影响。利用FringeZernike多项式表示光学系统的波像差和反射镜面形误差,通过变换矩阵分析可知当系统孔径光阑(出瞳或入瞳)光学表面存在面形误差时,将会在全视场内引入常量的波像差系数。如果非系统孔径光阑表面存在面形误差,由于孔径变换的原因,除了在全视场内引入的常量波像差系数外,还将会在全视场内引入低阶的波像差系数且其零点位于中心视场,不同的波像差系数与视场的依据关系不同。分析结果表明利用坐标变换矩阵可以对反射镜面面形误差引入的波像差进行定性分析,以提高大口径反射光学系统的装调效率。

KBA显微成像系统程序设计与模拟

近20年来,由于X射线光刻技术、空间技术以及激光引爆的惯性约束聚变(ICF)的过程诊断等的需求,X射线成像技术获得迅速发展。但是,由于常规的成像方法难以适应X射线波段,目前大多采用掠入射反射成像和编码孔径成像方法。KBA显微镜为掠入射非共轴X射线反射成像系统,而且四块反射镜是空间分布的,前两块反射镜和后两块反射镜之间并不是严格互相垂直的,这给像质分析带来相当大的困难。通常的光学CAD软件难于适应这种光学系统。因此设计了掠入射非共轴反射成像的KBA显微镜成像系统程序,并用该程序分析了该系统的综合误差。物距公差为-0.4^+1 mm,掠入射角公差在-8″~0,双反射镜公差在-20″~0,弥散斑的变化在允许的范围内。

KBA型X射线显微镜精度控制方法

KBA(改进的KB)型X射线显微镜为掠入射非共轴反射成像系统。前一组反射镜和后一组反射镜之间并不是严格垂直的,给像质分析带来相当大的困难。通常的光学CAD软件难于适应这种光学系统。把共轴球面折射系统的向量公式调整后设计了掠入射非共轴KBA显微镜成像系统程序,并用该程序分析了KBA系统的像差及综合误差。分析结果表明,KBA显微镜系统是大像差系统,当物距公差为-0.4～+1mm,掠入射公差在-8″～0,双反射镜夹角公差在-20″～0,弥散斑的变化在允许的范围内。该程序对于分析和研制KBA显微镜系统具有重要意义。