Computer Controlled Polishing of the Off-axis Aspheric Mirrors

In this paper, the manufacturing and testing procedures to make large off-axis aspherical mirrors are presented. The difficulties in polishing and testing for both circular aperture and rectangular aperture mirrors are previewed, and a possible solution is given. The two mirrors have been polished by means of CCOS, and the final accuracy is 25nm rms for 770mm×210mm rectangular mirror and 20nm rms for φ600mm circular mirror. These results just meet the optical tolerances specified by the designer, and the manufacturing and testing procedures presented here show good ability to make the large off-axis aspherical mirrors.

全口径环形抛光的光学元件面形误差影响因素及其控制

全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一,其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素,建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型,揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律;提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法,建立基于小工具的子口径修正方法,实现了抛光盘形状误差的在位定量修正;提出抛光盘表面钝化状态的监测方法,研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明:抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征,采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑;通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差,可显著提升元件的面形精度;随着抛光盘表面的逐渐钝化,元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100 mm平面元件的面形PV值优于λ/6(λ=632.8 nm),提升了元件的面形控制效率和精度。

数控抛光中不同运动方式下小抛光盘抛光特性之比较

阐述行星运动与平转动两种运动方式下数控抛光中小抛光盘的工作函数，论述了抛光盘本身在不同运动方式下的材料磨损情况。通过采用计算机对抛光盘工作函数及磨损曲线的模拟将抛光盘的两种运动方式进行了分析与比较。

自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制技术

针对自由曲面光学元件的加工特点,研究气囊抛光自由曲面光学元件进动运动控制技术,用于求出气囊工具进动过程中两虚拟轴的转角,实现对气囊自转轴空间位置的控制。以气囊自转轴为研究对象,由于自由曲面光学元件上每个点的法线三维坐标都不相同且气囊进动抛光过程中气囊自转轴与工件加工点局部法线夹角不变,提出建立基坐标系和抛光点对应三维空间坐标系的方法,得到抛光过程中气囊自转轴的空间位置变化情况,而后利用旋转坐标变换得到气囊抛光进动运动控制模型;在所建立的自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型中加入控制算法,求出抛光自由曲面光学元件各点时气囊工具两个虚拟旋转轴的转角。利用Matlab对自由曲面光学元件不同方向截面进行仿真抛光试验,得到自由曲面各方向上气囊抛光进动运动曲线以及仿真进动角曲线,结果证明了自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型及控制算法的正确性。

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。

大口径平面光学元件波前梯度数控抛光

针对改善光学元件的波前梯度均方根指标,在总结面形精度及面形分布对波前梯度指标影响规律的基础上,提出了基于匀滑面形拟合加工的方法,给出了该方法的基本思想和工作流程。首先,对原始面形数据进行扫描计算,标记波前突变数据。然后,采用NURBS拟合算法重构相邻面形突变点之间的数据,生成用于指导加工的面形数据。最后,根据待加工面形数据选择相应参数进行面形加工。采用多件610mm×440mm口径K9材料平面反射镜进行实验验证。实验结果表明,使用该方法进行数控加工,在2~3个加工周期内可使波前梯度均方根指标从11nm/cm收敛至7.7nm/cm以内,且面形几乎保持不变。

光学抛光中模具磨损的计算机控制补偿

模具的磨损消耗对计算机控制光学表面的抛光工艺影响甚大 ,但在实际加工中不利于将工艺中断来重新调整加工的零点以对模具的磨损进行补偿。因此本文提出了一个指数形式的模具磨损函数 ,并依此对 Preston方程进行了修正 ,达到了实时补偿模具磨损的目的。通过实验确定了该函数磨损时间常数值并将该方法用于计算机控制的抛光和误差修正。实验证明 。

大型光学表面纳米精度制造

纳米精度光学表面在光刻技术、同步辐射、空间观测和惯约聚变等领域有重大需求。随着装备性能需求的不断提升,这些光学系统对光学零件面形精度和表面质量的要求几乎接近于物理极限,对光学制造技术提出了更高挑战,使光学制造成为纳米制造技术的发展前沿。通过攻克纳米量级材料去除的稳定性、复杂曲面可控补偿和装备运动轴性能设计等关键问题,掌握了以磁流变和离子束抛光技术为代表的可控柔体抛光技术,利用自主研发的抛光制造装备和工艺实现了典型光学零件的纳米精度制造,为国家相关科技项目的顺利实施提供有力的制造技术支撑。

离子束抛光工艺中驻留时间的综合算法

在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。通常求解驻留时间的时候,是用理想的高斯函数来近似实际的加工函数。如果使用实际的加工函数仿真加工,加工的效果不好。运用系数法和消去法的综合算法来提高采用实际加工函数仿真加工镜面面型的精度,首先多次用系数法得到比较理想且平滑的镜面面型,然后再用消去法精修面型。这种算法运算速度快,得到的面型精度高且较平滑。对这种综合算法进行仿真分析,比较了理想高斯函数与实际加工函数加工后的差别,同时比较了运用消去算法与综合算法得到的镜面面型,PV值由83.63nm减小到46.92nm,镜面精度提高了很多。

光纤透镜研磨抛光的轮廓成形控制系统的研究

为了有效地减小光纤透镜的研磨抛光轮廓误差,设计一种两轴联动的交叉耦合轮廓控制器,并且针对光纤透镜研磨抛光机床的运动特点,给出了交叉耦合轮廓误差模型。然后利用Matlab软件对该交叉耦合轮廓控制的效果进行了仿真研究与分析。仿真结果表明,利用该控制器能使系统轮廓误差从0·075μm减小到0·03μm,但由于加入了交叉耦合器的补偿量,Z轴的跟随误差也从0·05μm增大到0·07μm。同时也表明两轴联动的交叉耦合控制系统远远优于单轴PID控制系统。

磨抛工艺参数的微机测控及模糊控制

介绍了在ＪＰ１２．６型透镜磨抛机上实现计算机控制的研究工作──系统硬件实现及加工过程的模糊控制方法．实验表明，计算机模糊控制与原始手动控制相比较，不仅生产效率高，而且抛光质量稳定．

全光纤热光型可变光衰减器的闭环控制

根据全光纤热光型变光衰减器(FTOVOA)的光电特性提出了针对该型FTOVOA的闭环控制的设计,并研制了该型FTOVOA的闭环控制系统。实验结果表明,当FTOVOA衰减量小于35dB时,闭环控制系统使光衰减量漂移小于±0.23dB。通过引入闭环控制不仅改善了全光纤热光型可变光衰减器的稳定性,而且使这种电流控制型的可变光衰减器变为一种电压控制型器件。

非球面碳化硅表面硅改性层的数控化学机械抛光

提出了一种数控化学机械抛光技术以实现非球面碳化硅表面硅改性层的高效精密抛光并获得高质量非球面碳化硅反射镜。研究了非球面碳化硅表面硅改性层的化学机械抛光机理,阐述了表面改性非球面碳化硅反射镜的数控化学机械抛光原理。通过与普通数控抛光对比,说明了数控化学机械抛光的优势。通过数控化学机械抛光实验,研究了这种抛光方法的材料去除函数。最后,以材料去除函数的研究结果为依据,采用数控化学机械抛光技术对口径为120mm表面改性非球面碳化硅反射镜进行抛光。经过几个抛光周期的迭代,表面改性非球面碳化硅反射镜的面形精度由0.253λ(RMS值)(λ=0.632 8μm)收敛到0.014λ(RMS值),反射镜的表面粗糙度达到0.538 7nm(RMS值),满足光学设计技术指标的要求。

离子束抛光工艺中驻留时间的分步消去算法

在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。求解驻留时间是利用离子束加工函数和驻留时间的卷积等于镜面去除量的关系,而离子束抛光的过程就是一个执行解卷积的过程。受此启发,采用一种分步消去算法解矩阵的卷积运算。这种新算法占用计算机资源少,运算速度快,同时可以根据预先设定的加工精度算得满足要求的驻留时间函数。对这种新算法进行仿真分析,采用3种不同的消去顺序分步加工,得到了理想的仿真结果,PV值由抛光前的363.721 nm分别减小到6.136 nm、33.347 nm、3.875 nm,抛光后的镜面精度提高了很多。

金属光学部件工艺及其应用

由于近十几年来高功率激光器件及其各种光学系统和红外系统等在工业、军事和航天航空及天文等高技术领域的应用和迅速发展,使得金属光学及工艺更加充实和完整。促使它形成一相对独立的学科体系。本文主要论述了这一领域中的金属光学部件如反射镜的加工工艺的若干进展情况。主要涉及到材料选择;金刚石镜面切削,计算机控制抛光和金属镜基底的一些抛光技术及检验技术等。简介了近些年来金属反射镜的应用概况。最后,就我国金属光学工艺单元技术基础研究进行了探讨性的讨论。

光纤连接器研磨机伺服控制系统设计

为实现光纤连接器研磨机操作台的精确定位,设计了基于可编程控制器(PLC)的研磨机伺服控制系统。将PLC、ED200伺服放大器和触摸屏运用于伺服控制系统。伺服放大器内部对象采用顺序编程(Sequencer Programming)的方法赋值,程序段的外部触发信号由PLC提供。PLC插入通讯扩展模块与ED200间建立RS485串行通讯,并通过触摸屏界面实时修改伺服放大器内部目标位置参数。实验结果表明,该系统运行稳定、人机界面友好,加工误差可以控制在±1%范围内。

透镜抛光机床模糊控制的神经网络方法

把模糊技术与神经网络方法相结合，采用五层前馈型神经网络，实现了抛光过程的神经网络模糊控制。应用结果表明，其控制效果明显优于一般Ｆｕｚｙ控制。

极坐标系统下进行直角坐标扫描的离子束抛光

在离子束抛光设备研制过程中,离子源扫描运动方式的选择是很关键的,一般分为直角坐标方式扫描和极坐标方式扫描两种。根据两种扫描方式的特点,在极坐标系统下进行直角坐标扫描方式加工。该种方法采用直角坐标扫描方式下的驻留时间计算,算法相对简单。该种方法在极坐标系统下进行加工,同等情况下可加工圆形镜面的口径比直角坐标系统下更大些;而且离子源的可移动区域是一条直线,其余地方可以摆放其他设备,空间利用率较高。对这种新思路进行仿真分析,证实了其具有可行性。

光学精磨抛光机床性能参数的优化设计

在使用光学球面精磨抛光设备的过程中发现诸多问题。分析归纳出该设备整机结构存在的缺陷,针对设备性能的不足开展多参数优化设计,获得光学球面精磨抛光设备的优化设计方案,设计出性能更趋完善、各项功能协调性更好的新一代光学设备。基于优化的设备配置结构,验证新设备的使用性能。证实优化配置结构能有效提高设备的整机性能、使用寿命和生产效率,降低废品率和维修成本。

计算机控制磁流变抛光软件去除算法设计

根据计算机控制磁流变抛光的去除机理,分析了抛光工艺软件的去除算法核心问题即求解驻留时间函数和加工路径设计。采用简森-范锡图特法对驻留时间函数进行迭代求解,同时优化设计工艺软件的加工路径算法,开展工艺软件全过程模块化、流程化设计,完成工艺软件的代码集成测试。最后,通过工艺软件控制磁流变抛光330mm×330mm石英平面反射镜实验,验证去除算法控制抛光过程的有效性及准确性,实验值与理论值吻合良好,从而证实工艺软件去除算法能够准确、有效地指导大口径光学元件的磁流变加工。