中大口径轴对称光学非球面超精密磨削数控机床的研制

通过系统分析轴对称中大口径方形光学非球面包络法加工原理,提出了非球面磨削加工机床各轴系运动的数学控制模型,设计并研制了非球面精密磨削加工机床及机床速度、位移双闭环控制系统,在研制的加工机床上进行了330×300mm的方形光学非球面镜片磨削试验,并采用数字型电感测微仪设计了非球面在线检测系统,通过对加工后的光学非球面进行在线检测,试验结果表明设计并研制的光学非球面磨削加工机床加工精度满足光学非球面镜片加工面形精度PV值达到4μm的要求,且加工效率高,适用于中大口径非球面磨削加工。

大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制

研究大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制。分析气囊抛光机构及大口径轴对称非球面抛光进动工艺特点,确定以气囊自转轴线与气囊交点为研究对象,以气囊球心为原点建立气囊进动基础坐标系,根据大口径轴对称非球面连续进动抛光中各抛光点气囊自转轴与局部法线夹角值(即进动角)不变的原理,在分析每个抛光点时建立与其对应的坐标系,得到抛光该点时气囊自转轴与气囊交点在该点对应坐标系中的值,而后进行坐标变换,将抛光任意点时气囊自转轴线与气囊交点的位置换算至气囊进动基础坐标系中;根据大口径轴对称非球面方程、加工控制模型及前述的坐标变换运算结果,利用矩阵变换得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动模型;在上述的运动模型中加入最有效率控制算法后进行运动学仿真,得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动曲线,并通过仿真气囊自转轴线跟随加工点法线变化的趋势及比较仿真进动角与实际进动角验证所建立运动模型及控制算法的正确性。

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。

异形口径离轴非球面光学加工与测试技术

针对离轴非球面制造的难点,研究分析了碳化硅非球面尤其是异形离轴非球面加工和检测的各项关键技术。首先利用加工中心DMG对离轴非球面进行了铣磨和表面成形,然后运用实验室自行研制的非球面加工中心FSGJ-2对离轴非球面进行了研磨和抛光,最后利用离子束对其进行了精抛光,并分别利用三坐标测量仪和激光跟踪仪对非球面进行面形轮廓测定和光学参数及几何量的精确控制。结合工程实践对一口径为600mm×270mm的类八角形离轴碳化硅非球面反射镜进行了超精加工与检测,并专门设计研制了光学补偿检测装置,对其进行了零位补偿干涉测量,其最终面形PV值为0.219λ,RMS值为0.018λ。

小口径非球面光学模具斜轴磨削加工试验研究

小口径非球面光学模具采用超精密斜轴磨削加工避免传统直交磨削法中砂轮轴与工件发生干涉的问题.选用碳化钨和不锈钢材料作为工件,采用斜轴磨削法,对小口径非球面光学模具磨削加工进行试验研究.结果表明:碳化钨模具获得的表面粗糙度和面形精度分别为R_a1 nm和PV 182 nm,不锈钢模具获得的表面粗糙度和面形精度分别为R_a4 nm和PV 304 nm,说明碳化钨模具的磨削效果明显优于不锈钢模具,且磨削后表面质量随工件转速、砂轮转速及砂轮粒度增加而变好,随磨削深度及进给深度增加而变差.

小口径非球面光学玻璃透镜模具超精密数控复合机床的研发与应用

一、概述传统的非球面光学玻璃透镜制造一般采用材料去除的机械加工法。通过粗磨、精磨、抛光、磨边等十几道工序加工而成，制造周期长，加工精度不稳定，生产效率和工艺稳定性无法满足迅速发展的行业需求。因此，

非轴对称非球面光学元件的研磨

随着超精密微细加工用短波段SR等新光学领域的需要,表1所示的前所未有的光学元件的开发已势在必行.超光滑研磨加工是决定这些光学元件性能的重要手段.由于在X波段无反射材料,故光学元件数非常有限,为了获得高分辨率,人们要求开发大口径、非轴对称非球面光学元件的表面精度达亚纳米级的加工技术.

中大口径非球面光学元件小工具数控抛光技术通过鉴定

中国兵器工业集团公司所属长春工艺设备研究所承担的“十五”支撑技术预研项目“Ф500mm中大口径非球面光学元件小工具数控抛光技术”通过成果鉴定。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

大口径凸非球面反射镜子孔径拼接检测

为了获得大口径凸非球面反射镜全口径的面形,提出了利用子孔径拼接检测大口径凸非球面的新方法。利用干涉仪标准球面波前依次干涉测定大口径镜面上各个区域的相位分布,通过子孔径拼接算法即可求解得到镜面全口径面形信息。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了大口径拼接检测算法的数学模型,设计并研制了大口径反射镜拼接检验装置。结合实例对一口径为260 mm的碳化硅凸非球面反射镜进行了9个子孔径的拼接干涉测量,并将拼接检测结果与全口径面形测量结果进行对比,两种方法测量面形PV值和RMS值的偏差分别为0.043λ和0.021λ(λ=632.8 nm)。

考虑投影畸变设计大口径离轴非球面检测用计算全息图

对大口径离轴非球面进行零位补偿检测时,投影畸变过于严重的区域会由于干涉条纹密度过大而无法检测,从而使加工难以进行。针对此问题,本文采用相对畸变参数定量描述投影畸变,设计了自由度更高、补偿能力更强的计算全息图(CGH)检测方法。该方法在CGH设计阶段考虑投影畸变分布,选择合适的光路结构使得所有区域的投影畸变均较小。根据此方法,对直径为1.45m的离轴非球面设计了比零位补偿器畸变小的CGH。检测实验显示:使用设计的CGH可检测非球面的全口径面形误差,验证了在CGH设计阶段考虑投影畸变的正确性与实用性,表明该方法可解决加工过程中零位补偿器由于投影畸变导致部分区域不能检测的问题。以CGH的检测结果为指导,目前该1.45m直径的离轴非球面加工精度已达0.374λPV,0.023λRMS。