光学工艺 光学加工工艺与设备

TH703 2005064469 Φ1 m平面镜的力学分析及实验研究=Mechanical analysis and experimental study of the Φ1 m flat mirror[刊,中]/郭 永卫(中科院国家天文台．北京(100012)),杨世模…∥光 学技术．-2005,31(4)．-618-621 空间太阳望远镜(SST)的装校需要一个倒置的直径为 1 m的平面镜,此平面镜的面形精度决定了SST的装校成     

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。     

地平式离轴扩束光学系统装调技术

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调,利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测,并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题,提出一种动态检测方法。根据实际装调结果,建立空间直角坐标系,利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明,采用自准直检测及动态检测方法,主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm,系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm,二轴正交误差为2.06″。     

Ф1300mm非球面反射镜的加工与检测

介绍一块Ф1300mmULE材料非球面反射镜的加工与检测方法。采用非球面超声铣磨、机器人研抛等多个工序组合加工技术完成了非球面反射镜的加工。在非球面检测中,采用大口径三坐标测量的方法进行了研磨阶段的面形检测,通过Z向滤波的方法对面形拟合过程中的噪点误差进行了处理,将研磨阶段的面形精度提高至5μm PV值。在干涉仪测量阶段,采用气囊支撑方法对反射镜的重力误差进行了卸载,通过非线性误差矫正的方法去除了零位补偿检测所带来的非线性误差,反射镜的最终精度达到0.016λRMS。试验结果表明,大口径非球面反射镜各项技术指标均满足设计要求,所用工艺方法适用于加工更大口径的非球面反射镜及其他类型的大口径非球面光学元件。     

高精度瑞奇-康芒检测法研究及测试距离精度影响分析

为实现高精度瑞奇-康芒法检测,利用检测系统光瞳面与被测平面镜二者间的坐标转换关系,结合最小二乘法直接对测得的系统波像差进行恢复,通过两角度检测分离由光路调整引入的离焦误差,得到更为精准的平面镜面形。分析光路中测试距离对坐标转换关系以及瑞奇角求解精度的影响,根据仿真分析结果确定实验方案。实验中采用两角度检测,对测试波前进行恢复并分离系统调整误差后,最终得到被检平面镜面形,结果峰谷(PV)值为0.182λ、均方根(RMS)值为0.0101λ,对比干涉仪直接检测结果 PV值为0.229λ、RMS值为0.013λ,PV检测精度优于λ/20,RMS检测精度优于λ/100,实验结果证明了此种面形恢复方法的有效性以及测试距离精度分析理论的正确性,从而实现了瑞奇-康芒法高精度检测。     

纳米级面形精度光学平面镜加工

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。     

Ritchey角精度对平面镜检测的影响的分析与验证

为进一步提高Ritchey-Common法的检测精度,分析了实验中Ritchey角精度对整体检测结果的影响。通过仿真模拟,分析并确定出最佳Ritchey角测试范围在20°～50°之间,此时面形误差检测结果精度可达0.01λ(λ=0.6328μm)。仿真过程中模拟Ritchey角存在误差时对检测结果的影响,当Ritchey角误差控制在±1°时,拟合结果与原始面形的残差降至0.0007λ,能够满足测试要求。针对Ritchey角测量存在误差的问题,利用测得系统光瞳面的图像压缩比例来计算Ritchey角大小,此方法的计算误差可控制在0.2°以内。实验中选择3个角度来检测,在数据处理时将测得数据两两组合进行解算。29.6°&47.8°组合拟合结果与Zygo干涉仪直接检测结果的残差的峰谷(PV)值为0.068λ、均方根(RMS)值为0.0105λ,证明Ritchey角的选择及其计算精度对检测整体精度具有一定影响。     

高精度大口径平面镜瑞奇-康芒定量检测的精度影响因素分析

针对前人的数学模型,对瑞奇角、旋转角和系统波像差这几个主要精度影响因素进行了仿真分析。结果表明:当瑞奇角的测量误差控制在0.5°以内时,对测量结果影响很小;由于平面镜的面形误差是连续和旋转对称的,所以旋转角测量误差对测量结果影响很小;当系统波像差系数的测量误差|ΔWn,m|≥0.05λ时会影响拟合精度。此仿真结果为提高大口径平面镜检测精度提供了理论依据。     

采用五棱镜扫描法检测大口径平面镜的面形

为了提高大口径平面镜面形检测的精度和效率,提出了一种新的五棱镜扫描法。该方法采用径向扫描的方式,使用一个扫描的五棱镜和一台自准直仪来测量表面倾斜角的差值,然后将被测平面镜的面形表示为Zernike多项式的线性组合,再利用表面倾斜角的差值建立方程组,最后采用最小二乘法计算得到被测平面镜的面形。在检测过程中,该方法还可以对五棱镜在扫描过程中的倾斜变化量进行自动监视和调整,减小了检测误差。误差分析表明,该方法的面形检测精度为7. 6 nm rms(均方根误差)。采用该方法对一块1. 5 m口径的平面镜进行了面形检测,并与Ritchey-Common法的检测结果进行了对比,两种方法面形结果的差异为7. 1 nm rms,小于五棱镜扫描法的面形检测精度。证明了利用该五棱镜扫描法检测大口径平面镜面形的正确性。     

Φ520mmF/1.6椭球面反射镜加工

介绍了一块Φ520mm大相对孔径(F/1.6)轻量化椭球面反射镜的加工与检测方法。镜面的有效口径为Φ502mm,顶点曲率半径为1600mm,非球面系数k=-0.9663,面形精度要求优于0.025λ(RMS)。镜子背面有54个大小深浅不一的不通孔,用于减轻镜子的重量。采用WYKO干涉仪检测得到镜面面形误差达RMS0.02λ,λ=632.8nm。     

光刻物镜中透镜高精度支撑结构的设计及分析

光刻投影物镜中透镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一。为实现透镜面形精度均方根(RMS)值优于2nm的高精度指标,提出一种轴向多点挠性支撑、径向三点可调式定位的光学透镜支撑结构。基于自重变形对支撑结构进行优化设计,深入分析在此支撑结构下自重和热载荷对透镜面形影响。结果表明,重力引起的透镜上表面面形RMS值为0.186nm,下表面面形RMS值为0.15nm。热载荷引起的上表面面形RMS值为0.55nm,下表面面形RMS值为0.54nm。采用这种透镜的支撑结构,能够满足光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。     

300mm平面标准镜装卡结构的关键参数

为了实现大口径平面标准镜的高精结构装卡,对其在重力作用下的面形变化进行了研究。首先,对结构胶的有限元建模进行了理论分析,建立了大口径平面标准镜胶结装卡结构有限元模型。然后,分析了不同胶点数量及分布、不同胶接面积以及不同镜框支撑方式等关键结构参数对参考面面形的影响。最后,设计了大口径平面标准镜胶结及支撑的结构。结果表明,采用胶点直径为5 mm,12×3胶点分布形式胶结时,参考面面形的PV值为24.06 nm,RMS值为6.78 nm,满足了大口径平面标准镜面形精度的要求。     

300mm平面标准镜装卡结构的关键参数

为了实现大口径平面标准镜的高精结构装卡,对其在重力作用下的面形变化进行了研究。首先,对结构胶的有限元建模进行了理论分析,建立了大口径平面标准镜胶结装卡结构有限元模型。然后,分析了不同胶点数量及分布、不同胶接面积以及不同镜框支撑方式等关键结构参数对参考面面形的影响。最后,设计了大口径平面标准镜胶结及支撑的结构。结果表明,采用胶点直径为5 mm,12×3胶点分布形式胶结时,参考面面形的PV值为24.06 nm,RMS值为6.78 nm,满足了大口径平面标准镜面形精度的要求。     

反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工

介绍了100mm口径反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工工艺流程。按照流程依次介绍了在粗磨成形、细磨抛光和精磨抛光过程中使用的机床、磨具和磨料以及采用的工艺参数和检测方法。介绍了在光学加工各个步骤中应注意的问题。展示了加工后反应烧结碳化硅平面反射镜的实物照片。给出了面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度(95%孔径)均方根值(RMS)为0.030λ(λ=632.8nm),表面粗糙度RMS值达到了1.14nm(测量区域大小为603 6μmⅹ448 4μm)。     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

700mm光学望远镜结构设计与分析

针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜,提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案,保证主镜具有高面形精度;望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构,既满足望远镜整体重量较轻,又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型,分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性,其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测,光学系统RMS可达到λ/14,鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm,均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。     

奥普光电在大口径平面镜光学加工取得突破

正近日,中科院长春光学精密机械与物理研究所投资的奥普光电公司加工完成了直径为700mm的BZPMJ700标准平面镜。这标志着奥普公司在大口径平面镜光学加工技术上取得重大突破。该BZPMJ700标准平面镜由平面反射镜和精密二维支撑架两部分组成。面形精度为:PV=0.187λ、RMS=0.018λ、P     

大口径天文薄镜面磨制试验

介绍了采用薄镜面主动支撑技术来加工大口径天文薄镜面的试验情况。试验镜为一弯月型球面反射镜．直径为Ф1035mm,镜面曲率半径为3220mm,径厚比约为40：1。在磨制过程中,有55个分离支撑点支撑存镜子背面。支撑点的位置与支撑力的大小通过有限元分析计算确定,其中3个为固定支撑点．另外52个为主动支撑点。每个支撑点位置设置了力促动器,调节力促动器加力的大小。可以主动改正镜面的低频误差。加工后最后达到的面形精度：λ=632．8nm,面形误差(RMS)小于等于λ／21．5,局部高频误差(RMS)小于等于λ／23。试验证明所采用的方法适合于大口径天文薄镜面的加工。     

基于标准平面镜的双目偏折术系统标定

相位偏折术中,系统标定精度对面形测量精度具有决定性的影响.采用带标记点标靶进行标定时,由于其表面不是理想平面而引入误差,导致虚像姿态求解不精确,进而影响标定精度.通过使用高精度的标准平面镜作为反射镜,从初始系统参数开始,采用交替方向优化的方法实现系统几何参数的标定,提高了标定精度,同时避免了变量过多导致的矩阵病态问题....     

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.