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。

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。

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。

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.

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。

粉尘传感器中非球面反射镜的应用与设计

介绍了粉尘测试仪的原理,非球面反射镜应用于粉尘传感器中解决了由于粉尘测试仪中散射光信号弱对信号采集与处理带来的困难,论述非球面反射镜的设计思想,并给出实际设计结果及其像质评价。从粉尘测试仪的实际使用要求说明设计的非球面反射镜满足实际需求。

基于非球面反射镜的高分辨KB显微成像系统设计

为了突破球面反射镜面形对传统Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜空间分辨率的限制,建立了一种非球面KB显微成像系统的光学设计方法。利用椭圆柱面反射镜代替球面镜,通过几何关系计算出反射镜参数的数学表达式,结合主要光学结构参数对空间分辨率影响的定量分析,提出了一组适用我国现阶段强激光装置的非球面KB显微镜的结构参数,并在实验室内开展背光成像实验。实验结果表明,在中心视场,其空间分辨率优于2μm,在200μm的视场范围内,空间分辨率优于5μm,集光立体角可达1.3×10-6sr。非球面KB显微镜有效提高了KB显微镜中心视场分辨率,符合内爆靶减速阶段的高分辨诊断需求。

英国TopSat对地观测小卫星采用了非球面反射镜

据www.azooptics.com网站报道,由英国国防部（MoD）和英国国家空间中心（BNSC）联合资助,并已于2005年10月发射的TopSat对地观测小卫星的先进光学系统采用了由英国光学表面有限公司提供的三块高精度非球面反射镜。

非球面反射镜的自动化调整系统

此文章描述了一些能有效地应用于抛物面光学反射镜调整程序自动化的测量算法和控制程序。离轴抛物面光学反射镜的干涉调整是一件冗长乏味而又费力的过程。我们回顾以前解决调整问题的办法。它利用了一个角反射棱镜并且介绍了一个使这个过程自动化的方法,即使用一个连接到处理系统的干涉仪,此处理系统控制一套传动装置。描述了有关的图像处理算法,而且讨论了传动装置控制系统。研究了将这一方法推广到其它非球面光学的自动化调整的途径。

非球面长圆状反射镜支撑结构的工程分析

针对非球面长圆状反射镜的支撑结构初步设计方案，采用有限元法进行了静力学分析和计算。以镜面面型精度为评价指标，对支撑结构进行了有效的改进，并最终确定了满足要求的支撑结构方案。

一种实现离轴非球面反射镜离轴量和离轴角精确测量的方法

离轴三反系统的装调主要采用初始定位与计算机辅助装调相结合的方法,实际加工过程中由于检测手段的限制,使得离轴量以及离轴角的控制精度较低,根据加工提供的离轴量参数并以其背部平面为基准进行反射镜初始定位会引入较大的初始像差,用计算机辅助装调无法收敛。基于自准直原理,进行反射光路分析,得出离轴反射镜位置与反射像位置的数学关系,并基于以上数学关系提出一种可精确测量离轴反射镜离轴量以及离轴角的系统,该系统包括高精度90°直角弯板、高精度直线导轨、中心定位特种工装、内调焦望远镜以及测微光管,其测量离轴量以及离轴角的精度分别为±0.05mm和±10″。

非球面金属反射镜在红外热成像系统中的应用研究

介绍了非球面金属反射镜在空间和军用光学红外热成像系统中的应用,系统的工作波段为3.7μm～4.8μm,环境温度变化范围-30℃～+45℃。阐述了金属反射镜的设计,包括反射镜材料的选择,反射镜结构的选择,分析了影响金属反射镜面型精度的因素。同时给出了金属反射镜有限元分析模型。系统经外场实际测试的结果表明,使用了金属反射镜的红外热成像系统达到了光学系统的设计指标。

大口径凸非球面反射镜检测补偿器的误差标定

大口径凸非球面反射镜的检测是非球面检测中的难题，而零位补偿检测方法是精确检测大口径凸非球面反射镜的有效检测方法之一，但是随着补偿器口径的增大，在补偿器的加工和装调中难免引入误差。文章针对与球面偏差不大的凸非球面反射镜补偿检测，提出了一种用标准球面在线标定补偿器误差的方法，并对一凸非球面补偿检测中的误差进行了标定，使用标定后的补偿器对该凸非球面反射镜进行了补偿检测，并对标定误差进行了分析，标定前补偿器误差方均根值（RMS）为0．097A（波长λ=632．8nm），标定后综合检测误差RMS值小于0．0046λ，满足该凸非球面反射镜设计精度要求。

大口径离轴碳化硅非球面反射镜加工与检测技术研究

分析了碳化硅作为空间反射镜材料的各种优点,研究了加工和检测离轴碳化硅非球面反射镜的各项关键技术。利用自行开发的非球面加工中心FSGJ-2对离轴碳化硅非球面进行了研磨、抛光和轮廓测量,分析了计算全息补偿检测离轴非球面的基本原理,并专门设计研制了计算全息衍射检测装置,对大口径离轴非球面反射镜进行了零位补偿干涉测量。结合工程实例对一口径为468mm×296mm的离轴碳化硅非球面进行了超精加工与检测,最终面形误差峰谷(PV)值为0.148λ,均方根(RMS)值为0.017λ(λ=632.8nm),达到了良好的效果。

离轴非球面反射镜的装调方法

为了在光学装调中保证单件离轴非球面的精确定位，需要对其6个自由度进行严格控制，尤其要对影响离轴非球面装调最重要的离轴量和离轴角这两个自由度加以严格控制。现有离轴非球面加工和检测中，对这两个特殊参数难以给出精确数值，从而难以实现离轴非球面的精密光学装调。通过运用离轴反射镜的曲率半径中心像与工装基准光轴之间的变化规律，采用精密测量法实现对离轴量和离轴角的精确测量。装调实验证明，利用这一测量法，光学装调出的离轴非球面可达到离轴量0．05mm和离轴角10″级的精度，检测出的镜面波像差均方根（RMS）为0．022（λ=632．8nm），使该离轴非球面获得了理想的像质，实现了精确装调。