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。

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜。研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件。为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性。

大曲率半径球面反射镜球面误差的改善

结合环形抛光工艺,提出了新的球面抛光方法,以满足环形激光器、同步辐射加速器、光学振荡器等对大曲率半径球面反射镜球面误差的特殊要求。基于Preston抛光方程,分析了传统工艺在抛光过程中球面区域沿径向不同点的相对运动轨迹,建立了抛光过程材料去除模型。运用所建立的数学模型对大曲率半径球面反射镜传统抛光过程进行计算机仿真,揭示了传统抛光方法产生球面误差的两个原因,即工件无法始终处于抛光盘工作区域内以及工件自转与抛光盘转速不一致。由此提出增大抛光盘面积和驱动工件同步转动两条措施来降低球面误差。应用提出的新工艺加工了半径为6 000mm的大曲率半径球面反射镜,测试显示其球面误差ΔR/R<0.02,粗糙度小于0.25nm,表面疵病达到0级,满足设计要求。

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。

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。

基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计

制冷型红外探测器f数由冷阑尺寸和位置决定,在冷阑附近加温阑可以改变探测器f数,但是会引入大量杂散辐射.为解决这一问题,提出一种基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计方法.建立了温阑红外辐射模型,分析普通平面温阑引入的杂散辐射及其对探测器性能的影响.在此基础上提出球面反射温阑的设计方法,通过改变表面形状和发射特性,降低温阑引入的杂散辐射,以保证探测器变f数后的性能.为验证本文方法,设计球面反射温阑和普通平面温阑改变某制冷型探测器f数,在高低温试验箱内进行辐射定标实验测量两种温阑引入的杂散辐射,比较二者对探测器的影响.分析和实验结果表明,球面反射温阑引入的杂散辐射远小于普通平面温阑,引入的噪声等效温差也较小,能够更好地保证红外系统的成像性能.

大离轴量非球面反射镜的加工方法

为了改进大离轴量非球面反射镜加工方式,降低外界因素导致的反射镜面型误差,以及提高效率,本文基于慢刀伺服技术提出一种适用于大离轴量、且不受车床加工口径限制的刀具路径规划方法。以离轴反射镜坐标平移变换的方式,将镜面外边缘与车床主轴中心之间的距离控制在车床加工半径内,减少刀具离轴量和加工区域。坐标平移后的反射镜以主轴中心为原点,多个与之相同的反射镜均匀分布在圆周上,形成一种切削区和过渡区并存的离轴阵列样式。建立样条和正弦混合插值方程,以刀具在边缘切削点的Z向切削速度和切削加速度连续无突变为前提,补正过渡区刀具路径。最后通过实验分析证明:在整个加工区域,过渡区和切削区刀具路径平滑连续,Z轴和C轴平稳运行,加工精度达PV0.4波长@632.8 nm。通过坐标平移的方式,可以有效降低刀具离轴量,补正的刀具路径保证了车床的平稳运行,满足大离轴量的非球面反射镜加工,且一次加工可完成多个反射镜,加工精度和效率高。

长条型非球面反射镜轻量化及支撑结构优化研究

针对轻型光学空间遥感器的长条型非球面反射镜 ,首先进行了轻量化研究 ,然后针对支撑结构的初步设计方案 ,采用有限元法进行了静力学分析和计算。以对镜面面型精度的影响为评价指标 ,进行了有效的多次迭代优化 。

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。

准光系统中椭球面反射镜面截取方法

为了改善准光学馈电网络在气象卫星中的应用效果,提出了一种应用于准光学馈电网络中新的椭球镜面截取方法,该方法能够有效降低椭球镜面产生的损耗,并减小镜面面积.椭球镜是准光学馈电网络中用于波束传输的重要器件,经过分析高斯波束传播模型发现常规截取方法设计的椭球镜会导致额外的能量损耗,影响系统整体的电气性能.针对该问题,通过建立椭球镜面传播高斯波束模型,优化了常规镜面截取方法——根据高斯波束传播至镜面对应的束腰半径将镜面作相应平移.经过仿真发现,优化后镜面边缘的最大电平从-30 d B降低到-35 d B以下,并且镜面尺寸减小10%~30%.改进的镜面设计方法更有利于系统的紧凑布局和良好的电气特性,提高了系统信噪比,能保证微弱气象信号在传输过程中的能量维持,对改善准光系统的性能有很大意义.

一种凸非球面反射镜的检验方法

凸非球面的面形检测是光学检验中的一大难题,提出了一种利用半反半透凹面自准单透镜检验凸非球面反射镜的方法。单透镜由凸、凹两个球面构成,凹面为半反半透自准面,使经非球面反射的光线可沿原路返回,从而实现补偿检验。该方法具有结构简单、检测能力强、无中心遮拦等优点。基于三级像差理论推导了检验系统的初始结构计算公式,给出了不同凸非球面反射镜检验系统的关键参数关系曲线。以r03=2000 mm、e^2=-2.4的凸非球面反射镜为例,求解相应初始结构参数,利用Zemax软件优化得到了系统残余波像差小于0.05λ。设计和仿真结果表明所提出的半反半透凹面自准单透镜的检验方法有利于检验各类凸非球面反射镜。

一致性绕射理论求解球面反射点的快速方法

射线寻迹是应用一致性几何绕射理论分析电大尺寸目标电磁辐射和散射特性的关键,它的精度和速度对场值求解结果影响很大。根据反射定律,推导得出了球面反射点的参量必须满足的一元四次方程,通过求解方程得到球面反射点。给出了应用此方法得到的部分球面反射点,并给出了球柱模型附近半波振子天线的远场方向图。一致性绕射理论结果与FEKO仿真结果吻合较好。

以多台低功率激光为光源的非球面反射系统实验装置的设计

设计了以多台低功率激光为光源的非球面反射系统的实验装置.实验表明,该装置可以使多台激光器的总功率提高1.02倍以上.

超大口径凹非球面反射镜的动态干涉测量技术

为了克服超长光路造成的振动和大气扰动的影响,采用动态干涉测量结合补偿法进行超大口径凹非球面的精密检测.通过分析超大口径凹非球面反射镜检测的难点,采用动态干涉仪克服检测中振动和大气扰动,并利用Zemax光学设计软件,以口径3.5m的凹非球面反射镜为例设计了干涉补偿光路.误差分析结果表明,采用动态干涉仪和补偿法进行超大口径凹非球面反射镜面形检测,不仅可以克服振动和大气扰动的影响,还能达到λ/90以上的检测精度.

球面反射数字模型的设计

球面反射有着广泛的用途,但缺乏能演示其反射规律的仪器设备。利用Authorware软件建立了运行于计算机的球面反射的虚拟数字模型。该模型建立了友好的人机交互界面,能很好地模拟光在球面上反射的规律,可以为球面反射的应用设计提供仿真效果模拟。

近轴球面反射成像的二级近似与象差

本文给出了二级近似时近轴球面反射成像的物象规律 ,进而讨论了横向放大率与像差 .

监控系统非球面反射镜注射成型工艺优化

为了提高非球面反射镜面型精度,满足监控系统要求。以熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间、注射时间为试验因素,以反射镜 z 轴翘曲总量及 z 轴有效区域翘曲量差值最小为优化目标,设计正交试验。根据极差分析结果,选取影响程度较大的熔体温度、保压压力、保压时间建模分析。基于响应面模型,结合多目标遗传算法对注塑工艺进行优化,得到合理注射成型工艺。优化后,成型工艺将反射镜有效区域 z 轴翘曲总量由 90 μm 降低为 1. 1 μm,z 轴翘曲差值由 100 μm 降低为 0. 6 μm。经过试模验证,反射镜 PV 值达到 2 μm 以下,优化后,成型工艺提高了反射镜面型精度,监控系统成像清晰,满足系统装配及使用要求。

非球面反射镜在荧光显微镜单色光源中的应用

为了搭建荧光显微镜单色光源系统,设计了两种不同的非球面反射镜,利用光线追迹和统计的方法分析比较了两种非球面反射镜的聚光特性,模拟了实际使用效果,并利用椭球面反射镜构建单色光源系统,在荧光测钙实验中得以使用,证实了椭球面反射镜在此类光学系统中应用的可行性。

Φ1.07m,F/1.5非球面反射主镜在位检测塔的设计与应用

大型非球面反射主镜的检测,国内通常采用离线的卧式检测。由于气流、温度变化以及地基振动等环境因素,容易影响检测的可靠性和重复性。国外在大型非球面反射主镜的检测中普遍采用在位或离线的立式检测塔。本文针对Φ1.07m,F/1.5非球面反射主镜在加工中的检测,在有限的加工环境中设计了一套分体式立式在位检测塔,由一个四维工作台调节平面反射镜来转折光路、一个五维工作台调节补偿器和一个五维工作台调节干涉仪以满足测量中自由度的调节需要。用有限元分析软件ANSYS对立式塔进行了应力和应变的设计分析以检验其刚性、重心位置和变形情况,以及避免与工件转台产生共振的模态分析。该检测塔在Φ1.07m,F/1.5非球面反射主镜加工过程中得以用于检测测量,获得了稳定的干涉图和良好的重复性,工件接近完工时的检测结果为PV=0.313λ,RMS=0.024λ。

两叠合的凹球面反射镜成像分析

介绍一个有趣的实验现象，计算叠合凹球面反射镜结构参数，并成对像规律进行了分析．