400 mm口径平面窗口元件中频误差控制技术

针对高功率激光装置所需的大口径光学元件,进行了小工具数控抛光中频误差控制工艺研究。对数控加工过程中卷积效应对中频误差的影响进行分析,并建立了残余误差分析模型,对卷积效应所引入的残余误差进行定量分析。利用该模型对中频误差修正工艺参数进行了仿真分析,并进行了修正工艺参数实验验证,确定了全面匀滑最优化参数。在最优化工艺参数的基础上,针对大口径光学元件开展了数控抛光中频误差控制工艺实验验证,使400 mm口径平面窗口元件加工精度达到透射波前PV值为0.27,透射波前PSD1 RMS值为1.67 nm。该实验结果表明,通过400 mm口径平面窗口元件的中频PSD1控制技术研究,使窗口元件能够达到高功率激光装置对中频PSD1的指标要求。     

应用离子束修正大面形误差光学元件

为了获得超高精度面形的光学元件并验证离子束的修正能力,对应用离子束修正大面形误差光学元件的问题进行了实验研究。通过改变离子源光阑尺寸的方式获得了不同束径的离子束去除函数,并对一直径为101mm、初始面形峰谷(PV)值为417.554nm、均方根(RMS)值为104.743nm的熔石英平面镜进行了离子束修形实验。利用10、5、2mm光阑离子源的组合,进行了12次迭代修形,最终获得了PV值为10.843nm、RMS值为0.872nm的超高精度表面。实验结果表明,应用离子束可以对大面形误差光学元件进行修正,并且利用更大和更小束径离子束去除函数的组合进行优化,可以进一步提升加工效率和精度。     

环带抛光技术材料去除理论模型研究

为了更加完善环带抛光技术并指导加工,根据Preston方程建立了材料去除量的理论模型。考虑到环带抛光技术中的诸影响因素,如抛光盘与工件之间的转速比、偏心距及压强分布等参数,建立材料去除量与各影响因素之间的相互关系的数学模型。理论分析和实验结果表明：材料的去除效率随转速比和偏心距增加而增大,转速比越接近于1时,磨削越均匀;工件露边时,工件露出部分材料的去除效率急剧下降。通过对该理论模型中的相关技术参数研究来完善环带抛光技术,有效地提高抛光的效率及稳定性。     

大口径光学窗口结构及支撑技术

为减小大口径光学窗口对系统入射光线的影响,提高光学窗口性能及光学系统成像质量,提出了基于普通环带支撑的中间环带辅助支撑形式,并在不同口径、径厚比及遮拦比状态下比较两种支撑方式对光学系统波前误差的影响。与普通环带支撑方式相比,采用中间环带辅助支撑形式可以降低90%的由窗口引入的波前误差,该方式对径厚比为100/1的窗口的支撑效果可以达到普通支撑方式下径厚比为100/3的窗口类似的支撑效果。因此,中间环带辅助支撑形式可以有效提高窗口支撑效率、减小窗口厚度及质量、降低窗口对入射光线的体吸收率。     

基于修正Levenberg-Marquardt算法的非球面面形误差校正

随着光学非球面行业的快速发展,生产面形精度优于0.1μm的非球面镜片产品已成为趋势。在非球面镜片的面形检测中,由于存在机械系统误差,被检测工件的坐标存在6个自由度的偏差,这将直接影响非球面的面形测量精度。因此,针对检测系统,需要开发不确定度只有几十纳米的误差校正算法,以保证测量结果更贴近实际。通过数据仿真,在理想非球面的基础上叠加位置误差和面形误差以获得非球面原始三维数据,进而利用修正后的Levenberg-Marquardt全局优化算法,将所获原始三维数据与非球面标准方程作对比,并利用均方根(RMS)误差最小原理,成功分离和校正了非球面的位置误差。针对4种不同规格型号的玻璃非球面镜片,通过将实验结果与商用非球面轮廓仪UA3P的测量结果作对比,得出高匹配的结果,二者的峰谷值之差小于5 nm,均方根相差约为0.1 nm,结果验证了算法的准确性和稳健性。     

基于修正Levenberg-Marquardt算法的非球面面形误差校正

透射显示双屏偏折系统解决了传统方法无法测量非连续镜面三维形貌的难题,其使用透明显示屏,既增大了测量视场又减小了系统结构的复杂性。但透明显示屏的折射效应会导致三维测量结果产生误差。在分析透射显示双屏系统中折射光路的基础上,提出一种透明显示屏折射误差补偿方法。首先分析透射显示双屏系统测量原理及折射误差产生原因。在参数标定过程中,从相位角度对透明显示屏引入的折射误差进行补偿。在所研制的测量系统上验证所提出的折射误差补偿方法。实验结果表明,该方法消除了折射效应带来的误差,提高了镜面物体三维形貌测量的精度。     

大口径光学元件五自由度抛光机械手的设计

多模式组合抛光大口径光学元件是提高加工效率和加工精度的有效方法。作为加工系统的重要组成部分,抛光机械手的设计是实现多模式加工的关键。分析了多模式加工的主要运动方式,提出了对抛光机械手的具体要求。设计了一种5自由度抛光机械手,介绍了其主要结构。由D-H法建立了机械手的坐标系,推导出其位姿方程并求得逆解,为后续控制系统的设计奠定了基础。     

光学非球面面形误差和参数误差干涉测量

光学非球面在先进光学系统中有着广泛的应用,其面形和参数的高精度测量是光学非球面加工和装调的基础。从面形误差和参数误差两类被测量的角度,阐述了各种典型的干涉测量方法,重点介绍了笔者在部分补偿法、数字莫尔干涉法中取得的成果,探讨了光学非球面干涉测量的发展前景和研究方向。     

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。     

拼接误差对拼接式大口径反射镜成像质量的影响

以由七片边长为0.5 m的正六边形子镜组成的拼接式大口径反射镜为例,理论分析和数值模拟各种拼接误差对成像质量的影响.利用傅里叶变换的特殊性质简化求解大反射镜的点扩散函数过程并推导各种误差下的解析表达式.采用快速傅里叶变换数值模拟边缘失配误差、平移误差及倾斜误差情况下的点扩散函数,并根据光学系统的成像原理模拟成像效果.结果表明,边缘失配误差对成像质量无影响,而平移误差影响较大,倾斜误差影响相对较小.     

ICF诊断设备搭载平台结构设计与误差分析

设计了一个用于惯性约束核聚变诊断设备定位与对准的搭载平台。该平台采用三自由度混联机构,具有进行两转动一平动的姿态调节能力。给出了平台输出件末端位置的反解及正解的封闭解形式。在此基础上,利用矩阵法结合从运动学方程得到的结论,推导出驱动杆杆长误差、球铰虎克铰间隙误差和球销副间隙定位误差与搭载平台终端位姿误差的映射关系。利用蒙特卡罗方法模拟分析了各几何误差源对搭载平台终端定位能力的影响。球销副的绝对误差较大并处于动平台的支撑点,所以它对搭载平台终端定位精度的影响较大。在不同姿态角相同误差输入条件下,对搭载平台终端误差输出进行了仿真,结果表明：俯仰角变化对输出误差的影响比偏航角变化的影响要大1～2倍。     

ICF诊断设备搭载平台结构设计与误差分析

设计了一个用于惯性约束核聚变诊断设备定位与对准的搭载平台。该平台采用三自由度混联机构,具有进行两转动一平动的姿态调节能力。给出了平台输出件末端位置的反解及正解的封闭解形式。在此基础上,利用矩阵法结合从运动学方程得到的结论,推导出驱动杆杆长误差、球铰虎克铰间隙误差和球销副间隙定位误差与搭载平台终端位姿误差的映射关系。利用蒙特卡罗方法模拟分析了各几何误差源对搭载平台终端定位能力的影响。球销副的绝对误差较大并处于动平台的支撑点,所以它对搭载平台终端定位精度的影响较大。在不同姿态角相同误差输入条件下,对搭载平台终端误差输出进行了仿真,结果表明:俯仰角变化对输出误差的影响比偏航角变化的影响要大1~2倍。     

子孔径拼接检测非球面时调整误差的补偿

针对在子孔径拼接测量非球面的过程中干涉仪与待测非球面相对位置存在的对准误差,提出了一种基于模式搜索迭代算法的调整误差补偿方法。该方法可以很好地从测量的子孔径相位数据中消除由拼接测量位置没有对准带来的调整误差,实现多个子孔径的精确拼接。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了子孔径拼接测量的调整误差补偿模型。对口径为230 mm×141 mm的离轴碳化硅非球面反射镜进行了调整误差补偿和相位数据拼接,得到了精确的全口径面形分布。作为验证,对待测非球面进行了零位补偿检测,结果显示两种测试方法的面形PV值和RMS值的相对偏差仅为0.57%和2.74%。     

大偏离量非球面加工系统的精度标定

用于红外侦察、预警相机中的非球面,当直径大于500mm时,非球面的偏离量大约为200μm以上(PV值),目前的发展趋势是非球面偏离量还会继续加大。如果从最接近球面开始修磨,则工作量较大、工作周期较长。所述加工系统基于直接成型非球面的思想进行开发,通过精度标定,借助于误差补偿手段保证了系统的加工精度,实现了非球面快速铣磨成型的目的。     

一种高效率小口径非球面数控抛光方法

自主设计研制的非球面数控抛光机采用气囊式抛光工具,可抛光100mm以下的非球面光学零件,针对口径35mm凹非球面透镜(顶点曲率半径R=-108.14mm的双曲面),研究了非球面的抛光工艺,并确定了相关工艺参数,抛光时间大约为20min,第二次次抛光后元件面形精度达到1.08μm,满足了该零件的使用要求。相对于现有设备美国Precitich公司的Microfinish 300型CNC非球面抛光机,该抛光设备实现了中等精度要求的小口径非球面元件的高效数控抛光。目前该抛光机已经成功地应用于某光学系统非球面零件的批量生产中。     

矩形非球面圆弧半径误差分离及补偿技术

研究了砂轮圆弧半径误差对大口径矩形轴对称非球面加工的影响。采用直线光栅式平行磨削的加工方式,建立了砂轮圆弧半径的误差分离的数学模型,分析影响面形精度的因素,根据加工及测量方式将砂轮圆弧半径误差分离出来,利用分离的砂轮圆弧半径误差更新砂轮圆弧半径,同时采用分离后的误差数据进行补偿加工。实验结果表明:对比不分离的补偿加工结果,粗磨和精磨条件下的分离误差补偿加工后的面形误差分别减小了14%和35%,该误差模型能够有效地分离出砂轮圆弧半径误差,分离误差效果明显,提高了加工的精度。     

矩形非球面圆弧半径误差分离及补偿技术

研究了砂轮圆弧半径误差对大口径矩形轴对称非球面加工的影响。采用直线光栅式平行磨削的加工方式,建立了砂轮圆弧半径的误差分离的数学模型,分析影响面形精度的因素,根据加工及测量方式将砂轮圆弧半径误差分离出来,利用分离的砂轮圆弧半径误差更新砂轮圆弧半径,同时采用分离后的误差数据进行补偿加工。实验结果表明：对比不分离的补偿加工结果,粗磨和精磨条件下的分离误差补偿加工后的面形误差分别减小了14%和35%,该误差模型能够有效地分离出砂轮圆弧半径误差,分离误差效果明显,提高了加工的精度。     

圆弧砂轮修整评价及非球面磨削误差补偿技术

利用杯形砂轮修整器对圆弧砂轮进行修整,并采用非接触式位移传感器实现对圆弧砂轮的测量,提出将修整后圆弧砂轮的圆跳动误差值与圆弧半径误差值网格化后用于评价修整效果。根据磨削加工原理,计算匹配的修整测量参数并利用修整误差进行补偿加工。修整实验表明,杯形砂轮修整方式是一种理想的修整方式,对比传统的磨削加工,修整误差的补偿加工效果明显,两次补偿加工后的面形误差分别减小了36.5%和28.1%。     

基于成像清晰度函数的非球面反射镜位置校正实验研究

在具有双曲面、抛物面或椭圆面反射镜的成像光学系统中,反射镜的位置误差通常具有对成像质量影响灵敏的特点.因此,在该类光学系统装调或工作过程中反射镜位置存在误差时需要对该反射镜进行精确调整.目前,反射镜位置校正的方法多基于对系统波前误差的测量,从而判断其位置误差.然而在系统工作过程中可能无法进行光学系统的波前测量,或者需要复杂的光学系统才能实现波前误差的测量.本文以焦平面图像清晰度作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法对反射镜位置进行调整,使系统成像质量达到最佳.针对迭代过程中反射镜位置发生变化时图像偏离探测器靶面而无法探测的问题,本文采用了一种反射镜垂直光轴平移和旋转相结合的调整方法.在保证图像位置不变化的条件下对系统像差进行校正.室内实验验证了该方法具有可行性,校正后的成像质量达到衍射极限.