采用二元光学元件的三维轮廓测量方法

提出了采用二元光学元件(BOE)进行三维形貌测量的新方法。设计二元光学元件产生空间二维点阵结构光,经物面调制后的点阵信息被相机一次获取,利用三角测量法得到物体的三维空间坐标。按该方法处理得到的结果与实际物体的形貌特征吻合。结果表明,按该测量系统具有便捷式功能,适用于三维照相等应用领域。     

2m量级SiC非球面反射镜的摆臂轮廓检测

提出采用摆臂式轮廓检测的方法,实现超大口径Si C反射镜面形的高精度轮廓检测。阐述了采用摆臂轮廓仪检测超大口径反射镜的基本原理和具体实施流程;介绍了基于扫描线交点高度一致性的特点进行面形重构的算法,以及针对离焦量测量不准的问题,采用激光跟踪仪对面形离焦量进行辅助测量的手段,建立了综合优化的检测模型;结合实例对口径为2040 mm的同轴抛物面Si C反射镜进行了摆臂轮廓检测,检测精度均方根(RMS)为0.46μm,与干涉仪检测结果对比偏差0.03μm。该技术与加工机床集成实现了反射镜的在位检测,以非球面的最接近球面为测量基准,提供了一种精确、高效地测量超大口径光学非球面面形的方法,满足了大口径Si C反射镜在研磨阶段的高精度轮廓检测需求。     

Φ630石英轻质抛物面反射镜的二维动态哈特曼检验

简要介绍二维动态哈特曼波前探测仪检测波面形的基本原理、方法及其特点。首次运用该方法对φ630石英轻质抛物面反射镜实现了定量检测，给出了镜面面形测量结果。     

条纹反射法检测光学反射镜面形

针对光学反射镜在精磨向初抛光过渡阶段时面形与理想面形存在较大偏差的问题,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足加工检测需求的问题,提出采用动态范围大且准确度高的条纹反射法来检测光学反射镜.研究分析了条纹反射检测系统的原理及系统误差,运用光线追迹软件对条纹反射检测100mm口径反射镜面形进行建模仿真,并对已经加工完成的100mm口径旋转对称球面反射镜进行了检测,测量得到的面形误差峰谷值及均方根值分别为0.523μm和0.086μm,满足该过渡阶段的检测需求.     

用于材料高温光学参数测量的半椭球反射镜光机特性分析

为提升材料高温光学参数测量设备的光能利用率以及在待测样品表面获得更高的辐照度,将半椭球反射镜应用于该设备中。首先介绍材料高温光学参数测量设备以及半椭球反射镜在该设备中的作用,然后利用光线追迹和有限元分析的方法对半椭球反射镜的光学特性和面形变化分别进行分析,接着对半椭球反射镜在30℃下的面形变化对其光学特性的影响进行研究,最后通过三坐标测量仪对半椭球反射镜内表面的面形进行测量,并对仿真结果进行验证。实验结果表明:30℃下,半椭球反射镜去除椭球形变之后的形变量均方根(RMS)为2.15μm,使用Φ15 mm黑体辐射源所获得的辐照均匀度为61%,能量利用率为7.6%,利用三坐标测量仪检测得到的RMS为5.75μm。本研究为测量材料高温光学参数提供了一种新的思路。     

干涉测量波面重构DCT算法研究

采用一种空间移相干涉仪测量凹形非球面反射镜光学表面,使用偏振元件和多幅图像同步采集实现移相,并对测量得到的干涉条纹采用基于离散余弦变换的相位解包裹算法,对不连续相位分布采用非加权的最小二乘法进行优化目标函数,最终重构出被测光学表面的面形.这种结构形式的干涉仪具有一定的抗振能力,同时在数字图像处理上优化了算法,能够快速稳定地得到被测面形,而且对硬件要求不高.结果表明:这种算法能够适用于非实验室条件下的光学测量,在一定干扰条件下可以达到较高的测量精度.     

Φ1.3m望远镜的装调

针对Ф1.3m口径同轴四反望远镜镜头,提出了一种有效的装调方法。主镜口径为1.3m,采用背部双脚架(bipod)支撑形式。使用激光跟踪仪多边测量法对支撑结构精密定位,利用Stewart机构位置反解方法进行主镜位姿的调整;通过变换反射镜组件方位进行面形测量,提取重力作用造成的反射镜面形误差;利用Offner零位补偿检测光路进行基于干涉测量的反射镜定心,实现反射镜光学基准与镜头基准的传递;进行镜头的光轴竖直装调,采用测试镜头像高和在线标定标准镜面形的技术手段来提高装调精度与收敛速度。镜头的中心视场波前和边缘视场波前rms分别为0.053λ(λ=0.6328μm)和0.077λ。     

基于二维彩色靶标的结构光三维测量系统快速标定方法

系统标定是基于结构光投影的主动式光学三维面形测量的关键技术之一,同时也是一项复杂和耗时的工作。提出了一种基于RGB彩色模型的系统快速标定新方法。利用一个彩色的二维平面靶标和由投影仪投影的彩色标记特征图像实现了摄像机和投影仪的同时快速标定,对靶标的每个标定姿态位置只需要拍摄一幅图像即可得到该位置的特征参数。与传统方法相比,标定过程简单快捷,所需的数据量较少。利用该方法对一个结构光三维测量系统进行了现场标定,并测量了一个平面和一个半圆柱物体,实验结果中点到拟合平面的最大距离为0.8039mm,平均误差为0.1693mm。利用该系统恢复半圆柱物体的面形与传统标定方法的测量结果符合得很好。实验表明,由该方法获得的结果准确可用,且标定速度快。     

长条镜柔性支撑及点阵结构设计方法

离轴三反光学系统多采用长条形反射镜,为尽可能提高反射镜面形精度,其支撑结构形式多为柔性支撑;为了在保证结构力学性能的基础上满足轻量化的需求,支撑亦多采用壳体点阵结构。本文基于尺寸优化技术,建立了长条形反射镜的参数化有限元模型以及双轴圆弧切口柔性铰链支撑的多参数优化模型,分别应用可行方向法及自适应响应面优化算法得到了质量约束下刚度最优的反射镜面板、筋板厚度参数以及刚度约束下镜面面形最优的柔铰支撑几何尺寸参数,并应用参数试验方法对该柔性支撑安装角度及安装轴向位置进行了独立变量的影响分析。对于背板的设计,本文提出了一种基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法,采用贪婪三角化投影算法对点阵结构包络生成的点云进行网格重构,保证了点阵结构模型的连续性与真实性。经过仿真验证,优化参数下重力、温度、强迫位移各工况下反射镜综合面形误差（0.018λ）和装调方向重力下刚体位移（0.007 mm）均达到最优。表明基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法合理可行,可推广应用于类似结构形式的反射镜支撑。     

应用方位反向技术提取反射镜零重力面形

为了预估碳化硅反射镜在空间零重力环境下的面形精度,本文开展了在地面环境下利用方位反向技术提取碳化硅反射镜零重力面形的研究。首先,介绍了方位反向技术提取零重力面形的理论依据;其次,利用有限元分析软件,分析了方位反向对反射镜面形的影响;然后,按照试验流程,先后检测了反射镜在0°和180°状态的面形精度,计算两次检测数据的平均值,得到了反射镜零重力面形。结果表明:反射镜地面零重力面形误差RMS值为12.3 nm,能够满足设计指标要求。最后,对数据可信度进行了分析,确认了试验数据真实可信。该结果预示了反射镜在空间零重力环境下的面形精度,对反射镜光学加工与装调有重要的指导意义。     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。     

基于空间直线预标定检测光学元件面形的研究

基于斜率检测的相位偏折术能够快速、简单、准确地测量光学元件面形和透射光学元件畸变波前。借助点光源显微测量系统对参考点坐标的准确测量提出了空间直线预标定的方法,利用它得到了相机中CCD面阵上每个像素对应每条光线的方向向量,通过每条光线的方向向量和被测面方程,追迹得到了被测面的世界坐标,从而求出被测面上各点斜率,采用波前重建算法,实现了光学元件面形的准确重建。实验结果显示,拟合面形去掉Zernike多项式前4项的RMS数据与干涉仪的测量结果最大相差仅约10nm,并且实验中重建的面形与利用张正友提出的标定方法坐标计算重建的面形几乎相同。因此,空间直线预标定法切实可行,可以实现高精度的反射光学元件面形测量,且测量系统简单,具有应用价值。     

大口径空间反射镜高精度面形检测的支撑技术研究

 由于空间失重状态与地面状态不同,大口径空间反射镜在地面检测时需要通过特殊支撑结构对其重力进行卸载,同时严格控制支撑力引入的反射镜变形,以满足反射镜高精度面形检测的要求。通过对一口径750 mm的空间SiC非球面反射镜进行检测,对比分析检测结果和有限元仿真结果,研究支撑结构对反射镜面形所造成的影响。主要针对吊带支撑和中心支撑进行详细的检测验证,分析其不能实现该反射镜高精度检测的原因;通过改进支撑方案,最后提出背板支撑,改善支撑变形的影响,不同角度下测量重复性达到纳米级,收到较好的检测效果,为该反射镜加工质量和加工效率的提升奠定了基础。     

1.2m轻量化空间反射镜的重力支撑变形分离

在地面环境检测的空间反射镜面形主要是镜面加工残差和重力支撑变形等耦合的结果.为实现1.2m轻量化空间反射镜的重力支撑变形分离,通过测量镜面在等梯度支撑力下的面形,由镜面力学响应得到镜面畸变和支撑力变化的关系,以此作为界定有限元分析结果和优化有限元模型的依据.将由修正模型得到的重力支撑面形畸变从反射镜面形检测结果中移除,即可得到反射镜加工残差.研究表明,修正后的模型对100N支撑力变化引起的面形畸变与实测结果误差≤0.001λ,面形检测为1/30λ的空间反射镜,其无重力和支撑影响的加工残差优于1/40λ.该结果不仅能指导反射镜面形的高精度抛光,还可提高最终系统装调精度.     

多电极静电拉伸薄膜反射镜的光学检测

利用研制的φ300 mm口径多电极薄膜反射镜原理样机,开展了光学检测实验工作.利用高斯光学原理对薄膜反射镜的基本光学参数进行了检测,获得了随电压变化的薄膜反射镜曲率丰径和最大变形值曲线,趋势与理论计算结果一致.对薄膜反射镜的面形特性和面形检测方法进行了分析,采用激光干涉仪测试了无电压时中心区域的平面面形,RMS值为1....     

视频空间相机Φ330mm口径主镜组件设计

为满足视频空间相机中反射镜组件的轻量化、高刚度、高稳定性和短加工周期的要求,采用基于ZERODUR微晶玻璃的背部单拱形镜体轻量化方案,设计了一种外圆芯轴粘接的柔性支撑结构.通过有限元工程分析与基于响应面优化设计,确定了支撑结构的最优尺寸.对反射镜组件进行了模态试验,并完成了镜面的非球面光学加工与检测.试验结果表明:主镜组件的一阶自然频率为332.5 Hz,与分析结果之间的相对误差为2.5%;主镜组件在绕光轴分别旋转0°、120°与240°方向进行光学检测时,面形精度均方根值均优于λ/40,实现了地面重力对反射镜面形检测零影响,组件满足设计要求.     

大口径空间反射镜Cartwheel型柔性支撑设计

针对同轴三反式空间光学遥感器对大口径主反射镜组件的高刚度、高强度、高热稳定性等特殊要求,提出一种基于Cartwheel型双轴柔铰的三点柔性支撑结构。首先利用无量纲方法研究了单个柔性支撑的柔度特性,然后利用有限元方法对反射镜组件的静力学、动力学与热特性进行灵敏度分析,确定了支撑结构中柔性环节的几何尺寸参数,并进行了有限元数值仿真。最后,利用面形值为λ/40均方根(RMS)的非球面镜进行了反射镜组件面形检测实验并利用等效球面镜组件进行了动力学实验。仿真与实验结果表明:当柔性环节尺寸为:壁厚t=8mm,直梁高度h=4mm,直梁长度L=8mm时,在正交三向自重与15℃稳态温升作用下,反射镜面形精度RMS小于12nm;反射镜组件一阶固有频率实验值为296Hz,与仿真结果相差6%,能够满足使用要求。     

平面光学镜低温温度场和热变形分析方法

在综合分析了温度场和热变形理论分析方法的基础上,提出了对空间光学系统中平面光学反射镜进行有限元分析具体方法;介绍了温度场特性经典理论,并对径向温度分布遵循二次规律的表达式作了简单推导;同时介绍了温度变化引起光学表面的Zern ike多项式法和用热力矩分析平面圆形板面形的方法;最后给出了用ANSYS和I-DEAS软件对联合光学元件热变形的计算流程。     

基于并行小波变换的快速三维面形测量技术

为了提高小波变换三维面形测量技术中相位信息的解调速度,依据不同的并行计算原理,提出两种基于并行一维连续小波变换的光学条纹图快速解调方法。利用多核CPU运算平台进行了计算机模拟和实验,结果表明并行一维连续小波变换光学条纹图相位解调方法相比于串行一维连续小波变换光学条纹图相位解调方法,在精度不变的同时计算速度显著提高:对850pixel×1000pixel大小实测条纹图像解调速度提高了7.5倍。并行一维连续小波变换相位解调方法为小波变换三维面形测量技术在实时/瞬态过程三维面形测量中的应用奠定了基础。     

Φ2 m平面反射镜低频轮廓非接触测量设备研制进展

口径2 m的高质量平面反射镜可用于大口径光电设备像质评价和性能检测,但受使用环境影响,平面反射镜的面形精度不易长期保持稳定,因此需要在使用前对其面形精度进行现场、快速校验,而常规的全口径或子孔径干涉检测均难以满足上述需求。由于反射镜面形在制造过程引入的中高频误差已处于稳定状态,环境扰动只引入低频像差,而选择子孔径斜率扫描再重构波面低频轮廓的方法较适于面形精度现场校验。提出双五棱镜配合双测角仪进行子孔径斜率同步差分测量的方法,可改善长测量周期内环境扰动引起的随机误差。并对测量设备光学、机械及控制系统进行设计,提出采用2台S-H传感器代替传统测角仪用于子孔径斜率测量的解决方法。验证试验结果表明,波面重构算法以及仪器测角精度可满足面形测量精度需求,其与ZYGO干涉仪测量结果的互差小于20 nm（RMS）。