F/1.2大口径非球面反射镜零位检验的补偿器设计

为达到高分辨率以及像面照度要求,大口径非球面反射镜在空间红外系统中被广泛使用。设计了针对口径550 mm、F/1.2非球面的补偿器,基于三级像差理论分析计算了补偿器的初始结构参数。利用ZEMAX软件对补偿器进行了优化设计,最终所得补偿器的设计结果满足非球面检验要求。对补偿器结构参数进行了灵敏度及公差分析,结果表明该补偿器可用于实际加工检验。

折反射式零位补偿检验(续)

为了研究双透镜和球面镜之间不同球差分配对折反射式补偿器补偿效果的影响,以三级像差理论为基础,针对两个不同相对口径的凹抛物面镜,采用不同内部球差分配,分别设计了一组折反射式补偿器,将结果绘制成曲线.从曲线可看出,当球面镜球差分配系数从0逐渐增大到0.5时,对应折反射式补偿器补偿能力先增强,达到极值后下降.球面镜球差分配系数为零时,球面镜不承担球差,球面镜变成半径无穷大的平面镜,折反射式补偿器即变为Offner补偿器.研究表明,折反射式补偿器补偿能力强,但不同内部球差分配对补偿效果影响较大,合理选择球面镜球差分配系数对折反射式补偿器设计是有利的.

离轴非球面零位补偿检验的三坐标装调技术

在离轴非球面的零位补偿检验中,为了高精度地检测非球面参数,提出了应用三坐标测量的方法定位零位补偿检验检测光路。建立了应用三坐标测量装调零位补偿检验检测光路的物理模型,计算机求解被检镜的空间方位失调量,实现检测系统的辅助装调。以1个200 mm×100 mm矩形离轴非球面反射镜为例,进行了方法介绍和精度分析。该种方法采用统一坐标系下的绝对测量,唯一定位被检非球面的空间位置,避免位置耦合现象;应用三坐标测量被检非球面的离轴量、补偿器与被检镜之间的光学间隔的精度分别为0.036 mm和0.025 mm,其公差要求分别为±0.25 mm和±0.3 mm。因此,在1 m左右腔长的检测中,可以实现高于被检参数误差1个数量级的高精度检测,为获得正确的离轴非球面加工与检验提供了可靠的技术保障。

Φ4m口径凹抛物面镜折反零位补偿检验

折反射式零位补偿检验是一种综合了Offner折射式和Maksutov反射式补偿检验优点的凹非球面检验方法,补偿能力强,检测光路紧凑。大口径和大相对孔径非球面检验是制约其加工质量提高的难题,针对口径为4 m、偏心率为1、顶点曲率半径为16 m的大口径凹抛物面反射镜,设计了折反射式零位补偿器。基于三级像差理论对补偿器的初始结构进行了规划和计算,采用Zemax软件对初始结构参数进行了优化,得出了补偿器的最终结构,检验光路轴向尺寸约12 m,系统优化后剩余波相差为0.005λ。设计和仿真结果表明,这种折反射式零位补偿器对大口径凹非球面镜的加工检测是非常有利的。

离轴非球面零位补偿检验的非线性畸变校正

在大口径、快焦比非球面的补偿检验中,入射光线在短距离内发生大角度急剧折转,导致干涉仪面形检验结果图像产生非线性畸变,严重影响了数控小磨盘抛光的位置精度和误差去除效率。为了校正离轴非球面在补偿检验中产生的图像畸变,提出了一种校正非线性畸变图像的方法,通过同心环带法确定畸变中心位置并利用光线追迹建立被检镜到干涉图的映射关系。针对某一光学系统的520 mm×250 mm的离轴抛物面主镜进行了畸变图像的校正,校正结果面形与工件面形的位置偏差降到1 mm以下,满足小磨盘抛光的工作要求。

大口径碳化硅材料凸非球面反射镜的检验

为了实现某大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验,研究了无像差点法以及补偿检验法方案。经过比较优选,确定选用补偿检验方案并专门设计了高精度大口径非球面补偿器,设计精度为PV:0.0082λ,RMS:0.0029λ(λ=632.8nm)。采用会聚光束,使用大口径数字干涉仪进行凸非球面正面检测,最终检测结果为0.022λ(RMS)。所述补偿器的设计方法和要求具有普遍性,设计结果也可用于同类型大口径凸非球面检验用补偿器的设计。采用该方法提高了凸非球面检测精度,并且在凸非球面镜的材料选择、结构设计、支撑方式等方面提供了更多的优化空间,为新型光学材料在凸非球面反射镜的应用奠定了基础。

共形窗口像差特性与检验方法的研究

新型飞行器需要满足高速度、高精度、航程远的要求,而传统半球形整流罩在高速度条件下会受到热的影响,不能很好地满足上述要求。新型的共形光学窗口可以明显降低热影响,提升飞行器的空气动力学性能。本文主要论述了共形窗口的数学特性、像差特性,并重点介绍了一种新型零位检测方法。基于补偿法的原理,文中针对一个口径70mm的共形窗口,设计了相应的补偿器,最终设计波像差为0.0392λ(λ=632.8nm),可以满足实际需求。

超大相对孔径抛物面反射镜的补偿检验

在基于像差理论的基础上,对于超大相对孔径抛物面反射镜,提出了三片补偿镜和一片场镜的零位补偿检验方法,详细论述了补偿检验系统的设计过程,成功地设计了相对孔径为F0．6,口径为φ290 mm的抛物面反射镜的补偿检验系统,从整个设计的结果看出,检验系统的像差被很好的校正,完全达到衍射极限。

基于干涉法的非球面测量技术

随着光学精密加工技术的发展,非球面光学元件在各种光学系统中广泛应用,高精度非球面检测技术对非球面光学元件的发展意义重大。论述了基于干涉法的非球面面形误差检测技术。根据检测原理,分别对零位干涉检验法与非零位干涉检验法进行了详细介绍。概述了近年来主流的非球面检测技术现状,展望了非球面面形检测技术的发展趋势。

基于干涉测量的Ф1.3 m非球面反射镜定心

1.3 m凹椭球面反射镜是某遥感器光学系统的主镜,其定心精度要求苛刻。由于该反射镜口径大、顶点曲率半径长,利用定心仪法进行定心的实现难度大,精度低。通过分析非球面的两种偏心之间的补偿现象,可知激光跟踪仪接触测量定心的精度仅为0.15°。三坐标仪接触测量定心的精度能够达到0.005°,不过其量程受限,且在光学加工时的反复搬运会造成不便。利用Offner零位补偿检验光路进行干涉法定心,干涉法将反射镜偏心转换为检测系统波前的初级像差,同样可以达到0.005°的精度。该检测方法的误差来源主要是干涉仪焦点位置误差,是系统误差,可以通过旋转反射镜进行多次定心测量的方法予以消除。完成了该反射镜的定心,其结果与三坐标仪的测量结果对比,两种偏心的最大偏差仅为0.023 mm和0.002°。实现了大口径凹非球面反射镜的原位定心测量。

改进的Hindle方法检测凸非球面的研究

凸非球面,尤其是大口径快焦比凸非球面的光学检验一直是非球面加工中的难点。针对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Hindle方法需要大口径辅助球面镜和存在中心遮挡等不足。利用该方法对一块Φ88 mm,焦比F/1.9的玻璃材料凸双曲面镜进行检验加工实验,对系统进行了分析优化,简化了检验光路的结构,克服了此种改进的Hindle方法检验时被检镜需要镀膜的缺陷,简化了加工工艺流程,极大地拓宽了该方法的适用范围。加工完成后经移相式数字干涉仪检测,镜面均方根(RMS)误差为0.020λ,验证了优化后方法的可行性。检验结果和对系统的进一步分析表明:经过优化后,改进的Hindle方法能够对多种凸非球面进行检验,是一种有效的高精度检验方法。

大型光学红外望远镜拼接非球面子镜反衍补偿检测光路设计

为了实现大口径、长焦距、批量化离轴镜面的高精度面形检验,本文提出了一种零位反衍补偿检测方案,采用计算全息和球面反射镜共同对离轴镜面法向像差进行补偿,检测光路波像差残差接近于零。检测方案为非轴对称离轴结构,设计了相应的全息对准光路,以保证检测光路装调切实可行。不同离轴量子镜检测光路参数完全一致,仅需更换相应位置计算全息片、调整待测镜空间姿态,即可实现不同类型镜面的快速批量化检验。误差分析结果表明,由补偿元件制造误差、光路失调、干涉仪面形测量重复性以及干涉仪标准球面波偏差引起的待测镜面形误差小于λ/40(RMS值,λ=632.8 nm)。

无限远前后零位补偿结合的非球面检验

利用有限远零位补偿方法检验非球面时,装调环节多,检验精度低。提出了无限远前后零位补偿结合的非球面检验系统,通过在待检镜球心前后位置处各放置一个补偿透镜,使像差在前后区间具有相关性。基于像差理论,对两片补偿透镜的光学参数进行了推导求解,分析了初始参量与归一化数据的关系,再利用光学软件对计算结果进行缩放与优化。在不同的前零位补偿透镜放大率下,设计了四个具有不同曲率半径的凹抛物面镜,并给出了非球面镜的最大口径和最大相对孔径。采用具有1/10口径比的补偿透镜,实现了口径为3.7 m、相对孔径为1/1.2的非球面镜面形检验,面形波前误差峰谷(PV)值优于0.1λ(λ=633 nm)。容差分析结果证明了检验系统的可行性。针对口径为500 mm、相对孔径为1/1的抛物面镜开展了原理实验,从可检验的最大非球面镜口径和实施难度方面对所提方法与常用方案进行了比较,前后零位补偿结合系统的设计面形波前误差PV值为0.061λ,面形波前误差均方根(RMS)值为0.009λ,实现了面形波前误差RMS值优于λ/40的检测精度。前后零位补偿结合的检验系统适用于具有4 m量级大口径、大相对孔径的非球面镜的高精度面形检测。

易测量非球面定义及应用（英文）

本文提出了一种新型、易于用传统光学干涉仪测量的非球面。该非球面的检测主要基于Zemax光学程序软件设计的多重配置特性。第一配置为易于测量非球面,第二配置为采用平行平面玻璃板或单透镜作为零位校正器,用于检测第一配置的非球面。本文通过一些实例,说明了易测量非球面检测技术的应用和优势,证实了与圆锥或普通非球面相比,易测量非球面更易于操作与检测,同时有利于减小光学像差。

面向制造的光学面形超精密测量技术研究进展

超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则,计算机生成全息图(CGH)是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此,面向制造过程,重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题,探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题,论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法,探讨加工原位干涉测量进展。最后,从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。

用双计算全息图检测凹非球面

为实现对凹非球面的高精度检测,提出并设计了一种二元纯相位型双计算全息图。设计的双计算全息图由主全息和对准全息两部分组成,分别用于检测非球面和精确定位主全息。介绍了双计算全息图的工作原理及其设计方法,并给出了一个检测Φ140、F/2抛物面反射镜的双计算全息图设计实例,实验得到的均方根(RMS)误差为0.062λ。通过分析对准全息的误差,推导出主全息的条纹位置畸变误差,最后计算出其综合误差为0.06λ。为验证实验结果的可靠性,将其与平面镜自准直检测结果(ERMS=0.062λ)比较,结果二者吻合良好。

抛物镜光学补偿器设计的结构寻优

抛物镜归一和重整化后的Offner补偿器设计可以被认为是在参数空间寻优的确定化问题。通过构建抛物镜Offner补偿器优化结构实例,获得其评价函数在参数空间的分布,得到Offner补偿器设计结果参照图谱,提出一种对补偿器设计初始结构选择和性能评价的方法,结果揭示了该问题可以通过数值方法得到较好解决。