大口径光学非球面元件拼接优化及精度验证

针对磨削阶段大口径光学非球面元件拼接测量精度不高的问题,提出一种基于两段拼接的优化算法。首先根据多体系统运动学理论、斜率差值及逆推法建立两段面形轮廓的拼接数学模型;其次针对拼接算法中工件运动量和运动误差对拼接精度的影响,仿真分析了350mm非球面工件的两段拼接。仿真结果表明,随着平移误差增大,拼接误差明显增大,而当控制旋转角度在8°以内、平移量在10mm以内、旋转误差在60′以下及平移误差在3μm以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2μm波动;最后利用Taylor Hobson轮廓仪和高精度辅助测量夹具对120mm口径的非球面光学元件进行测量实验并研究工件运动量对拼接测量精度的影响。实验结果表明,当控制平移量在10mm以内和旋转角度在8°以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2~0.6μm之间,能满足磨削阶段光学元件亚μm级精度的面形检测要求。     

数字刀口仪定量检验非球面光学元件面形

构建了一台数字化刀口仪,利用该数字刀口仪对二次非球面光学元件进行实际检验,获得了非球面光学元件表面面形的均方根(RMS)值和峰谷(PV)值.将数字刀口仪测量结果与干涉仪测量结果进行比较,测量结果的一致性在0.001μm以内,验证了数字刀口仪定量检测非球面光学元件的可行性以及所研究的数字刀口仪的准确性.最后对测量结果进行...     

激光跟踪仪检测大口径非球面方法研究

大口径非球面反射镜研磨阶段,在准确测试几何参数的同时,面形也要达到一定的精度要求。利用数值模拟测试过程的方式,评估了使用三坐标测量仪和激光跟踪仪轮廓检测几何参数及面形的精度。针对2 m口径抛物镜的检测指标要求,提出了一种有效的轮廓检测方法。使用4台激光跟踪仪搭建了多边测量系统,采用Levenberg_Marquardt算法进行系统标定,利用新型靶球实现多台跟踪仪对镜面点的同步快速采集,对测试数据进行平差和坐标系转换处理,最终获取几何参数和面形。2 m口径抛物镜研磨完成后进行了测试,顶点曲率半径、非球面系数、面形rms的误差分别为0.16 mm、0.000 6、1.06 μm。     

轴对称二次非球面镜面几何参数的算法

在现代的空间光学遥感器中,越来越多地使用二次非球面光学元件代替以往的球面光学元件,消除球面镜不能消除的像差。二次非球面的几何参数包括其顶点曲率半径和非球面系数,它们对相机的性能有着重要的影响。三座标仪的使用使得二次非球面几何参数的测量变得方便快捷。在三坐标测量数据基础上,给出了一种新型的二次非球面几何参数计算方法,通过采集座标点、寻找旋转轴、计算法线像差等步骤求解出顶点曲率半径和非球面系数。通过仿真分析和实验验证,顶点曲率半径的计算精度可达0.01%,非球面系数的精度可达0.0002。     

用于检测光栅线密度的长程面形仪系统

衍射光栅已被广泛应用于同步辐射光源软X射线与真空紫外光栅单色器中,光栅线密度偏差会直接影响单色器的性能。为了检测光栅线密度的偏差,本文在合肥先进光源预研过程中搭建了长程面形仪(LTP)系统。使用自准直仪对LTP检测光栅系统在26μrad内的检测精度进行了标定。利用LTP对自主研制的760 line/mm与2400 line/mm等间距光栅进行线密度均匀性检测,使用干涉仪对760 line/mm光栅进行0级与1级衍射波前检测,并将检测结果与LTP测量结果进行比较。结果表明:系统标定的均方根误差为30 nrad,与干涉仪检测结果相比,两者同位置处的高度轮廓曲线具有较好的一致性。这说明搭建的LTP系统具有较高精度的检测光栅线密度的能力,为检测同步辐射光栅线密度的变化提供了平台。     

非球面元件精密铣磨加工技术研究

通过对Φ42 mm和Φ82 mm口径非球面光学零件精密铣磨成型过程的加工特点和加工误差因素的分析,在工艺中引入刀具与工件变形、刀具半径误差等因素,结合经典Hertz接触理论建立了刀具与工件变形量及刀具半径误差和补偿理论模型,并且应用在精密铣磨成型过程中,通过实验,Φ42 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.91μm,RMS值达到0.288μm;Φ82 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.60μm,RMS值达到0.385μm,完全满足加工精度要求,加工时间节省了50%以上。实验验证了理论分析及误差补偿方法的正确性,实现了精密光学非球面元件的快速精密铣磨成型加工。     

三坐标轮廓测量仪测量离轴非球面的数据处理

为了研究三坐标轮廓测量仪测量离轴非球面的数据处理,介绍了三坐标轮廓测量仪测量离轴非球面的原理,对除三坐标测量仪自身误差之外的误差进行了详细的分析,在此基础上建立了校正这些误差的离轴非球面数据处理模型。使用Matlab与C语言混合编程,并进行了数据模拟,对实际离轴非球面进行了测量。在对离轴非球面数据进行模拟时,面形误差PV值小于0.001μm;实际应用时,面形误差PV值约为0.245μm,利用数据处理模型得到的面形误差PV值为1.2μm,达到了三坐标轮廓测量仪本身的测量精度。结果表明,所建立的数据处理模型和处理软件是正确的。     

矩形口径离轴非球面在数控加工过程中的检测

介绍了空间相机中的离轴非球面第三反射镜 (矩形口径 )在数控加工过程中在研磨和抛光阶段的检测情况。利用自行研制的非球面测量机对研磨阶段离轴非球面的面形精度进行了测量 ,其最后的研磨精度达到了 1 μm(RMS)。抛光阶段离轴非球面的检测采用的是补偿法 ,其中零位补偿器是补偿检验的关键元件。该离轴非球面的最终面形达到了在 2 0 0mm通光口径内约λ/30的精度 (λ=0 .632 8μm)。     

大口径光学非球面轮廓测量过程可视化研究

研究了大口径非球面光学元件表面轮廓测量过程可视化,并设计、开发了基于双向链接边表的软件系统。提出一种改进的双向链接边表数据结构完成三维模型加载方法,建立数据结构及其相关图形元作为软件的基础层。计算非球面曲面方程获得表面轮廓的数据生成图形场景节点,并自动生成曲面测量轨迹。在非接触检测平台上进行测试,对测量数据进行平滑处理,拟合出测量获得的非球面面形,完成面形精度和表面粗糙度的评价。实验结果表明,该可视化系统技术路线正确高效、稳定性好,为非球面检测数据及其综合分析仿真提供直观的可视化平台。     

非球面复制成型技术的研究

光学非球面复制成型技术是一种通过面形转移的方法成型光学非球面的技术,即将高精度非球面光学元件(母模)的表面利用脱模膜和胶粘剂转移到球面光学元件(基体)的表面上,并保持原非球面光学元件的光学品质,使球面变成非球面。介绍了该技术的基本原理以及所进行的工艺实验(镀膜、脱模、胶合等),给出了母模和复制件的面形图,证明了该技术用于中小口径非球面光学元件的制造具有较高的精度。     

一种精级回转驱动机构的研究

两轴四框结构光电吊舱,内框多采用力矩电机直驱,稳定精度仅为数10 μrad。为达到更高精度的μrad量级,提出一种压电陶瓷驱动柔性支承的精级回转驱动机构,作为光电吊舱的内框驱动。介绍了精级回转驱动机构的构型方案,并对压电陶瓷的驱动能力进行了探讨,对柔性支承的回转刚度、固有频率、几何参数进行了详细设计。建立了机电仿真模型,制造了原理样机并进行了性能测试,其主要性能指标为:行程509.1 μrad,分辨率优于0.5 μrad,1 Hz、100 μrad的正弦信号跟踪误差小于3 μrad,固有频率约1 kHz,均满足设计目标。     

星间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测装置的设计原理

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明:取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2μrad。     

高精度2×2阵列拼接光栅结构设计

 提出了一种大口径高精度2×2阵列光栅拼接结构,采用模块化和框架式结构设计,保证拼接结构的稳定性;设计了差动螺纹微调组件与压电驱动器相结合的微纳调整组件结构,实现拼接光栅微纳量级的调整要求;讨论了关键组件的设计和制造问题。设计制造的2×2阵列光栅实验样机的最大相对共面误差为17 μm,微纳调整组件的最小调整精度可以达到1.8 nm,分辨力为0.9 nm,初步光路实验表明,设计的拼接调整机构可以快速实时地调整2×2阵列光栅达到要求的精度,且稳定时间大于1 h。     

Principle of π-phase plate long trace profiler for synchrotron radiation optics

A π-phase plate long trace profiler (πLTP) for testing aspherical optical elements in large dimension, especially the optical elements used in synchrotron radiation, is introduced. Based on the angle-to-position converting feature of a lens, a collimated diode laser beam out of a single mode optical fiber scans all the way across the surface under test (SUT). A diffracted pattern is used to precisely determine the position of the light spot on the back focal plane of the lens. A prototype based on the principle with a measurement range of 370 mm and a slope resolution of better than 0.25 μrad has been established. An accuracy of 0.7 μrad has been achieved.     

大气湍流对空间激光通信跟踪系统的影响

基于大气信道内的空间激光通信演示验证实验,对系统光斑跟踪精度的影响因素进行了分析,研究了大气湍流对光斑跟踪精度的影响,建立了光斑质心检测模型,设计了一套信标光光斑粗精复合跟踪系统.搭建了室内测试实验系统,完成了大气湍流对光斑跟踪精度影响的测量,结果表明在中弱湍流时,跟踪精度随湍流增大有近似线性关系,系统整体跟踪精度在5~15μrad之间,可较好地完成光斑跟踪功能.在野外环境开展的飞机-飞机激光通信演示实验中,对伺服系统的跟踪性能及跟踪精度进行实际测量,整体跟踪精度不大于15μrad,与室内实验测试系统基本一致.     

基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量

光学元件轴向间距测量对精密光学系统的定位和装调具有重要意义。针对现有色散共焦测量系统中色散物镜结构复杂、色散范围小的问题,提出基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量方法,将传统折射共焦镜头几百毫米的轴向尺寸和复杂的装调需求简化为数毫米的单片镜,简化了系统结构。透镜间距和厚度测量实验表明,间距测量误差为10 μm。     

基于固定校正镜的折衍共形光学系统设计

设计了一个大扫描视场的折衍混合红外共形光学系统,共形成像系统工作波段为3.7～4.8 m,相对孔径为1/2,焦距为120 mm,扫描视场为40。由于共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,像差校正难度较大,设计中采用固定校正镜和折衍混合混合结构校正了共形光学元件的像差,引入了非球面和衍射面有效消除了各个扫描视场的像差。设计结果表明:光学系统光阑与探测器冷光阑重合,满足100%冷光阑效率。在40扫描视场范围内,共形光学系统的光学传递函数曲线接近衍射极限,成像良好。     

卫星激光通信跟瞄精度测试方法及其实验研究

卫星激光通信捕获、跟踪、瞄准(ATP)需要端机具备有微弧度(μrad)量级的高精度跟踪能力。如何检验通信端机的这一特性是一个很重要的问题。设计了一套端机跟瞄精度测试装置。装置模拟入射光方向的偏转,端机跟踪从偏转方向发出的回馈信标光。通过测量回馈光远场光斑的位置变化可以得到端机的跟瞄精度。测试实验表明,当入射光方向的变化小于4μrad,测试频率在0~250Hz时,测试系统的精度可达到0.2μrad。此项工作对卫星激光通信的光链路通信的研究以及对端机性能的整体评估具有重要意义。     

基于MEMS微镜的长波近红外光谱仪的设计与实现

为适应光谱仪微型化、集成化的发展趋势,详细分析了MEMS微镜应用于微型长波近红外光谱仪的方法和涉及的主要问题,例如分光系统的设计、MEMS微镜的选择、探测器与前置放大电路的设计等。并将50 Hz谐振频率、峰峰驱动电压为10V的MEMS微镜、高灵敏度的InGaAs单元探测器,结合立特罗式分光光路,设计和实现了900～2 055 nm波段的微型长波近红外光谱仪样机,其中1 000～1 965 nm谱段的光谱分辨率介于9.4～16 nm之间。采用MEMS扫描微镜技术后,一方面简化了光谱仪中的复杂机械结构,使尺寸可以更小;另一方面实现了单探测器的长波近红外光谱仪,与阵列长波近红外探测器光谱仪相比,成本有所降低。作为应用实例,此样机成功对纯水以及乙醇-水溶液的长波近红外光谱进行了测量,实现了乙醇-水溶液的浓度预测分析,其中本样机测量的纯水长波近红外光谱与文献相符。     

High precision micro-displacement fiber sensor through a suspended-core Sagnac interferometer

A sensing system for micro-displacement measurement based in a suspended-core fiber Sagnac interferometer is presented. The suspended-core fiber characterization was made through the use of an optical backscatter reflectometer, screening its multimodal and birefringent behavior. Its sensitivity to displacement measurements is shown to be due only to birefringence, being that core-cladding mode coupling is negligible. High precision (～0.45 μm) was obtained using three different measurement instruments, showing an extremely high stability and high insensitivity to temperature, demonstrating that the sensing system has the ability for low cost applications.