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。     

像质检测用光学窗口的温度适应性设计与实验北大核心CSCD

为了在温度变化条件下对光电成像系统进行像质检测与评价,设计一种具有温度自适应功能的光学窗口。分析了温度变化对光学玻璃面形的影响,进行光学窗口的温度适应性光机结构设计,通过有限元分析与实测实验相结合的方法分析了温度变化对光学窗口面形的影响,验证了温度适应性设计的有效性。实验结果表明:常温20℃条件下,光学窗口波像差的PV值和RMS值分别为82.90 nm和6.96 nm;高温50℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为136.68 nm和14.55 nm;低温−40℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为183.51 nm和28.48 nm;高、低温环境下光学窗口的波像差与常温环境下结果对比的数值变化趋势与有限元分析结果具有较好的吻合性;在3种温度条件下光学窗口波像差的PV值均小于或接近(1/4)λ,且由于温度变化引起的光学窗口面形变化很小,设计的光学窗口具有较好的温度适应性。     

1.8 m空间长条反射镜柔性支撑技术研究

1.8 m×0.5 m口径的长条形主反射镜是某空间离轴三反光学系统的重要光学元件,其面形精度的好坏是决定光学系统在轨成像质量的关键。为保证主镜组件结构的稳定性、可靠性及反射镜的面形精度,提出一种适用于大尺寸长条形反射镜的双轴柔性支撑结构。首先,基于运动学等效原理提出双轴柔性支撑的初始结构,建立了柔性环节刚度数学模型并研究了其刚度特性。然后,对柔性支撑的安装位置进行了参数化研究并对柔性支撑的关键尺寸进行了优化设计。最后,确定了反射镜组件的最终设计方案。仿真与试验结果表明,反射镜组件一阶固有频率为104 Hz。X/Y两个光轴分别对径向施加1 G重力时面形精度RMS值分别为4.81 nm、6.09 nm,优于λ/50（λ=632.8 nm）,均满足设计要求。组件正样动力学环境试验表明,反射镜组件的动力学特性良好,柔性支撑系统稳定可靠,与仿真结果一致。目前反射镜全口径面形精度已加工至λ/30 RMS,并在此精度下进行了自重0°/180°的±1 G面形检测试验,结果显示其稳定性良好。     

离轴反射式平行光管结构设计及主镜背部柔性支撑仿真分析北大核心CSCD

设计了一款可用于白光瞄准镜多参数检测的离轴反射式平行光管。针对在使用工况中,低频振动环境对主镜面形误差影响过大的问题,提出一种主镜背部柔性支撑方案,并对主镜柔性支撑的重要结构参数进行了优化。同时对RTV胶的特性进行分析,计算出环形RTV胶的有效属性和等效模量倍率。仿真结果表明,主镜组件在1-g重力作用下,面形误差RMS值和PV值分别为0.79nm、3.66nm,能满足系统指标对于平行光管面形的要求。平行光管整体的一阶模态频率为496.38Hz,具有良好的抗低频振动的能力,在热力耦合作用下,主镜面形误差均满足RMS值≤λ/30,PV值≤λ/10的设计要求,1000N力作用下的最大应力小于材料的屈服极限。主镜采用柔性支撑的离轴反射式平行光管的动态性能与面形精度能满足设计要求。     

长条形镜面面形拟合技术研究

为了解决长条形镜面面形拟合中各项不正交,无法在调整中利用像差指导计算机辅助装调的问题,本文建立了一套合理的拟合模型。该模型以矩阵求解正交化Zernike多项式系数为基础,将离散的数据点作为定义域,对已选取的Zernike项进行定义域内正交化计算,并以获得的各正交项为基底,实现对长条形镜面及其他异形光学镜面的正交化多项式拟合求解。进而确定在干涉检测中加工误差与装调误差的分离,为光学镜面的最终面形收敛提供保障。根据本文实验结果,对一口径600 mm×260 mm,PV与RMS值分别为5. 889λ及1. 002λ的长条形光学镜面进行拟合,利用Metropro去像散后,面形未得到收敛,PV与RMS值分别变为7. 448λ及1. 725λ。而采用本文算法处理后,其PV与RMS值分别收敛为4. 666λ及0. 679λ,验证了本文方法对于长条形镜面拟合的正确性。     

子孔径拼接干涉检测凸非球面的研究

在总结各种检测凸非球面方法优缺点的基础上,提出了利用子孔径拼接干涉检测凸非球面的新方法。利用标准球面波前作为参考波面,用干涉法逐次测量非球面各区域的相位分布,去除参考波面偏差以及调整误差后,通过子孔径拼接算法就可以重构凸非球面全口径的面形分布。研究和分析了该方法的基本原理和基础理论,开发了综合优化和误差均化的子孔径拼接算法。设计和研制了子孔径拼接干涉检测装置,并结合实例对口径为140 mm的碳化硅凸非球面进行了子孔径拼接测量,得到了精确的全口径面形分布,其面形分布的峰值(PV)和均方根(RMS)值偏差分别为0.274λ和0.024λ(λ=632.8 nm),且对该非球面进行零位补偿测量,其全口径面形与拼接全口径面形是一致的,面形分布的PV和RMS值的偏差仅为0.064λ和0.002λ,从而提供了又一种定量测试凸非球面的手段。     

光学镜面磁流变确定性修形的实现

磁流变确定性修形具有高精度、高效率、高表面质量以及近零亚表面损伤的特点。介绍了磁流变修形技术的基本原理和方法,并对磁流变修形中涉及的关键技术进行了讨论。在自研的磁流变修形设备上采用水基磁流变抛光液对一块直径80mm的K9玻璃平面进行了磁流变修形实验。经过一次迭代修形(4.39min)使其面形精度峰谷(PV)误差由初始的0.144λ改善到0.06λ(λ=632.8nm),均方根(RMS)误差由初始的0.031λ改善到0.01λ,面形收敛率达到2.81,表面粗糙度RMS值达到0.345nm。实验结果表明,采用磁流变进行光学表面修形,面形收敛快,面形精度高,表面质量好,可广泛应用于高精度光学镜面加工。     

Φ200mm口径长焦距球面干涉测试及装备

为实现对大尺寸光学材料及系统元件的高精度对准测试,设计了一种新型Φ200 mm口径长焦距准直干涉测试装置。该装置以球面标准镜作为参考镜,结合斐索型透射式干涉机制和长焦距准直测试原理对凹球面大曲率半径光学元件进行面形精度检测,最大测试口径为Φ226.67 mm,且球面标准镜和球面标准反射镜同轴共球心,大幅度减小了测试空腔距离。结果表明,该系统空腔测试精度PV值为0. 097λ@632. 8 nm,RMS值为0. 013λ@632. 8 nm,系统重复稳定性优于λ/500@632. 8 nm,可实现曲率半径为7 500～8 500 mm测试,且大曲率半径测试误差小于1/1 000。     

非球面非零位环形子孔径拼接干涉检测技术

提出了一种新型的非零位环形子孔径拼接干涉检测技术(NASSI)用以检测深度非球面面形误差。该方法结合了传统非零位干涉检测法与环形子孔径拼接法,采用部分零位镜替代了标准环形子孔径拼接干涉仪中的透射球面镜,产生非球面波前用以匹配被测面不同子孔径区域。该非球面波前比球面波前更加接近被测面的名义面形,使所需的子孔径数目大大减少。一方面增大了环带宽度和重叠区,提高了拼接精度;另一方面减少了各种误差累积次数。同时,配合基于系统建模的理论波前方法分别校正各个子孔径的回程误差,进一步提高了检测精度。对非球面度为25μm的高次非球面的计算机仿真检测结果表明该方法具有很高的理论精度。针对口径101mm的抛物面进行了实验检测,多次实验结果均与ZygoR○VerifireTMAsphere干涉仪检测结果一致,峰谷(PV)值误差优于λ/20,均方根(RMS)值误差优于λ/100,表明了NASSI方法的高精度与高重复性。     

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。     

基于奇偶函数法的绝对检测实验研究

针对平面干涉检测技术的检测精度受限于参考面面形精度的问题,提出使用基于奇偶函数的高精度绝对检测方法消除干涉系统中参考面面形误差的影响。对旋转角度误差与旋转偏心误差对绝对检测方法测量精度的影响进行了仿真分析。利用商用菲索干涉仪,设计和分析了绝对检测精度实验及重复性实验。仿真结果显示:旋转角度误差在达到0.13°时,测量误差PV值为0.000 1λ;旋转偏心误差达到3 pixel时,测量误差PV值为0.005λ。实验结果显示:测得实际样品的绝对检测精度PV₁₀值为0.041 5 λ,RMS值为0.008 7 λ,小于常规干涉检测所得结果;对同一平面两次独立的绝对检测结果进行点对点作差处理,从而获得残差图,其残差图PV₁₀值为0.004 λRMS值为0.000 5 λ。实验结果表明了该方法的高重复性和有效性。     

基于离轴自由曲面的激光通信光学天线设计

为了提高空间激光通信系统的工作范围,简化光学系统的结构,提出了基于离轴自由曲面的大视场两镜无焦光学天线的设计形式。该光学天线采用无焦结构,无需再使用准直透镜元件,可以极大地简化系统结构,克服了传统聚焦光学天线体积过大、大功率光源情况下焦点处功率密度过高等问题。首先,基于三级像差理论,推导了两镜无焦系统的消像差公式,并对求解结果进行了分析总结。然后,根据求解结果和实际需求设计了一款无焦光学天线,该系统的有效通光口径为100 mm,放大倍率为5倍,波段为500～1 100 nm,全视场角为0.6°,主镜为凹抛物面的一部分,次镜采用XY多项式表征的自由曲面,并用MATLAB对次镜自由曲面面形进行了仿真。结果表明,光学系统全视场的波像差优于λ/14(λ=500 nm),斯托列尔比大于0.8,系统能量集中度较高,像质接近衍射极限,光学视场相对于传统二次曲面系统增加了26.7%。因此,该种天线结构在激光通信领域具有较强的实用性和很好的发展前景。     

超轻量化碳化硅扫描反射镜组件设计

为实现(165mm×96mm)矩形扫描反射镜组件的轻量化并保证反射镜面形精度与组件支撑刚度,提出了一种锥套柔节一体化的背部支撑方法,实现了重量小于0.5kg的超轻量化碳化硅反射镜组件设计。镜体材料的选择为碳化硅,支撑结构材料选择了铟钢。通过有限元仿真对扫描反射镜组件进行了仿真分析,并采用ZYGO干涉仪对实际的反射镜组件进行了检测。实验表明,在各方向重力的工况和轴系驱动时的扭矩作用下,扫描反射镜面形误差的均方根值(RMS)最大值为9.705nm,实际测试结果为10.125nm,误差为4%,满足RMS值优于12.6nm的要求;组件一阶固有频率302.25Hz,满足刚度要求。研究结果表明,锥套柔节一体化背部支撑方法合理、有效,解决了结构超轻量化与结构刚度、光学面形精度难以同时保证的难题。     

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。     

轻型高稳定性离轴非球面平行光管设计

为了满足高精度相机在外场环境下的检测要求,采用碳化硅光学材料制作反射镜,碳纤/环氧树脂基复合材料制作遮光筒,设计了一套重量轻、自身精度高、温度稳定性好的离轴平行光管。在二者线胀系数保持二倍关系的情况下,在一定温变范围内保持精度的稳定性。经检测,口径为400 mm,焦距为8 m的离轴平行光管的温变为(20±10)℃,系统波像差为1/5λ(P-V值,λ=632.8 nm)和1/27λ(RMS值),达到了设计要求,能够在外场环境下使用。     

双压电片反射镜面形精度补偿的仿真分析

针对硬X射线自由电子激光(HXFEL)对偏移镜组提出的初步要求(压弯前、夹持后子午面形误差小于0.5μrad),传统机械压弯难以满足且实时修正,因此采用压电片侧放式双压电片反射镜(PBM)结构。反射镜水平放置,通过奇异值分解(SVD)法计算修正自重所引起的低频面形误差所需的电压值,并辅以有限元分析法验证方案的可行性;针对不同的压弯面形进行求解分析,然后加入热分析法解决由局部辐射引起的面形突变。仿真结果表明,在自重的情况下,反射镜的初始斜率误差为242.43 nrad (均方根,RMS),在压电压弯修正后其斜率误差可以大幅降低至7.743 nrad (RMS);对目标面形进行调节,实际压弯面形与目标面形间的斜率误差仅为0.0024 nrad (RMS)。     

自重变形对超高精度Fizeau干涉仪的光学性能影响

为实现λ/100峰谷值(PV)的光刻投影物镜面形检测精度要求,深入分析了自重变形对大口径超高精度Fizeau干涉仪的光学性能产生的影响.设计的球面标准具结构,其系统波像差达到λ/1000(PV)、像方数值孔径(NA)值为0.36,用于口径超过300 mm的球面镜面形检测.使用Patran/Nastran软件通过有限元方...     

Fizeau型偏振移相干涉仪的实验研究

研究了一种Fizeau型偏振移相干涉仪。以中心波长为650nm的多纵模半导体激光器作为光源,利用光源的短相干特性和一套偏振延迟装置分出一对偏振方向正交的参考光和测试光,采用巴比涅-索列尔补偿器作为偏振移相器。测试了一块平行平板的前表面面形,面形PV值为0.0682λ,RMS值为0.0127λ。该方法的优点是移相精度高,移相时无须推动参考镜,适用于大口径光学系统的干涉测试,可消除多表面干涉杂散条纹的影响。     

离轴抛物面镜离子束抛光工艺研究

针对离轴抛物面镜离子束修形过程中存在的热效应累积和迭代加工效率问题，提出了将总去除量按一定比例划分的分批次加工与变束径加工相结合的方法，并采用该方法进行工艺实验探索。对口径为110 mm、曲率半径为1732.7 mm、初始面形峰谷值(PV)为0.525λ(λ=632.8 nm),均方根(RMS)值为0.025λ的球面镜进行分批次变束径离子束抛光实验，最终加工得到顶点曲率半径为1728 mm、离轴量为85 mm、PV为0.36λ、RMS值0.029λ的离轴抛物面镜。对实验过程及结果进行分析，证明分批次加工方法有效消除了离子束加工过程中的热效应，通过变束径局部精修加工的方法可以减少迭代加工次数，提升加工效率。     

多磨头数控抛光对大口径离轴抛物面镜中频误差的抑制

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响,针对该问题,提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术,用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析,并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟,对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明：采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差,加工的两件ϕ460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%,达到2.835 nm,并且PV小于0.16λ(632.8 nm),RMS小于0.02λ。