2.7米标准球面检验镜支撑优化设计

球面检验镜口径不断增大导致其检验精度下降,针对该问题,本文优化设计了2.7米标准球面镜的重锤支撑参数,并对该标准球面镜的调整架以及支撑系统进行了结构设计。首先,利用有限元和遗传算法,对镜体进行了54点等力支撑环带优化,针对增加嵌套孔后镜体刚度变差的情况,对各环带底支撑力和侧支撑力分别进行了优化;然后,利用统计方法分析了支撑半径和支撑力误差对支撑变形的影响;最后,基于优化分析结果对标准检验镜的调整架和支撑系统进行了结构设计。分析结果表明,经过对标准球面镜54点支撑位置、各环带底支撑力和侧支撑力进行优化设计后,在球面镜支撑变形RMS(Root Mean Square)小于1/115λ(λ=632.8 nm),底支撑位置扰动为±2 mm,侧支撑位置扰动为±0.6 mm,以及支撑力扰动为±3 N的情况下,支撑变形小于1/70λ,满足标准球面镜的支撑要求。     

2.7米球面镜检验装置结构设计与分析

根据?2.7米球面镜加工、检测、吊装等要求,设计了一种用于检测支撑、位姿调整、镜体翻转的检验装置,满足粗抛阶段刀口仪检测支撑精度要求、镜体测试时的姿态调整要求、镜体背部结构加工和装配的翻转要求.针对不同工况,分析了各结构件的刚度和强度,建立了各工况下镜体受力模型,分析了镜体的支撑精度、刚度和应力.结果表明,其装置机械结...     

Φ1m平面镜的力学分析及实验研究

空间太阳望远镜(SST)的装校需要一个倒置的直径为1m的平面镜,此平面镜的面形精度决定了SST的装校成败。平面镜的支撑采用滑轮砝码机构,具有18个牵引点,每个牵引点的牵引力是独立可调的。在此支撑下,利用有限元分析方法分析了平面镜的变形情况,提出了用主动光学原理对牵引力大小进行优化的方法,计算出了保持平面镜具有良好面形时所需要的牵引力的大小。采用Ritchey_Common方法对平面镜进行了测量。测量结果表明,平面镜面形精度的均方根值优于λ/30(λ=633nm),满足了SST的装校要求。     

采用可见光源和分划板快速装调激光光路

 分析了激光测量光路的特点和装校要求,给出了采用可见光源、分划板装校激光光路的原理。以预放测量模块为例,介绍了装校的流程及装校中的注意事项,分析了装校所能达到的精度,并用内调焦望远镜进行了装校精度检查。结果表明,采用可见光源、分划板装校的激光光路透镜光轴正过心的偏心极限误差小于等于0.07 mm,光轴倾斜极限误差小于等于25″。     

单相机双球面镜视觉传感器成像光学特性分析

为了扩大镜像双目视觉传感器的视场范围,采用球面反射镜替换平面反射镜成为一种有效方案。但利用凸球面镜进行反射成像,将会导致图像质量和清晰度的下降,为此研究单相机镜像双目视觉传感器的光学特性。以离轴非中心式球面镜反射为研究对象,建立不同光学特性的成像模型,通过仿真和实验来定量分析球面镜参数对视场范围、分辨率和景深的影响,在给定工业相机和光学镜头参数的情况下给出双球面镜参数的设计方法。搭建基于单相机和双球面镜的视觉传感器,该传感器可以实现镜像双目视觉成像。通过分析基于球面镜反射的视觉传感器的光学特性,为新型镜像双目视觉传感器的设计提供了依据。     

碳化硅凸非球面反射镜的加工与检测

为了满足凸非球面反射镜加工中的全频段质量控制及光学参数的高精度检验,提出了应用双摆轴极坐标快速非球面加工技术及测杆法控制Hindle法检测光学参数。首先,描述了双摆轴极坐标快速非球面加工技术及设备;然后,介绍了应用测杆法控制Hindle检测法中标准球面镜顶点分别与被检非球面镜顶点及其焦点的光学间隔,并对其控制精度进行了分析;最后,针对Φ158mm的凸非球面,给出了双摆轴加工的检验结果,并对检测精度进行了分析。实验结果表明：应用双摆轴加工工艺在使低频误差快速收敛的同时,可以有效抑制中频误差,其低频误差的控制精度可以稳定地达到λ/30（λ=633 nm）;应用测杆装调Hindle检测光路的控制极限误差为±0.065 mm,两个光学间隔参数的公差分别为±0.22 mm和±0.30 mm。应用双摆轴加工技术实现了凸非球面的快速加工与全频段质量控制,采用Hindle检测凸非球面得到面形精度为0.022λ（RMS,@633 nm）,满足光学设计技术指标要求。     

离轴非球面镜精磨阶段的三坐标检测技术

提出了使用三坐标测量机（CMM）对离轴非球面镜进行测量的方法。通过CMM对离轴非球面镜镜面进行自动测量,获得实际面形的三维坐标数据,并与理论离轴非球面镜模型进行分析比较,得到实际镜面的面形误差值和均方根值; 依据CMM的测量结果,完成了对离轴非球面镜精磨阶段的加工,解决了目前离轴非球面镜精磨阶段难于检测,以至于无法加工的问题。随着离轴非球面镜顺利进入抛光阶段,使用CMM实现了离轴非球面镜精磨检测与抛光检测的无缝对接。     

光学系统辅助装调技术研究

光学系统装调技术是高功率激光工程中的关键支撑技术之一。对光学系统装调中影响系统光束质量的误差来源进行了分析,并根据像差的装调方式进行了分类。对这两类像差的辅助装调方式进行了比较和仿真模拟。针对第一类像差,在装调模型中代入失调系统检测得到干涉图,利用计算机辅助装调模型计算出失调量的大小和方向,确定出系统的装调方案。仿真结果显示,对系统调整工作有较好指导作用。针对第二类像差,利用元件加工面形之间波像差的互补性,优化调整光学元件的装校姿态。仿真结果显示,系统的光束质量口由预期的4．916优化为1．187,提高了多元件光学系统的光束质量。     

便携式泰曼格林型干涉仪装调方法研究

 为满足光学系统对高精度检测的要求,依据一种新型便携式干涉仪的设计方案,研究了装调方法。该型干涉仪基于改进的泰曼-格林光路结构,其设计测试精度达到λ/10（P-V,λ=630 nm）,具有参考镜离轴、体积小巧、便携、精度较高、成本低及便于批量装备等新特点。针对该新型干涉仪的结构特点,研究了以两个互相垂直的光轴为基准对整体结构进行装调的新方法,并用装调完善的干涉仪进行了实测试验和比对试验。试验结果表明,该新型干涉仪器对已知面型精度为λ/10（P-V,λ=630 nm）的标准球面镜进行检测,其精度可达到0.09 λ;在相同的测试条件下进行比对实验时,该新型干涉仪对普通标准球面镜的检测结果为0.053 λ（RMS,λ=630 nm）,ZYGO干涉仪的检测结果为0.051 λ（RMS,λ=632.8 nm）,两者测量能力较为接近。采用新装调方法进行装调的该新型便携式干涉仪的实际检测精度达到了设计要求,新装调方法可以满足该新型干涉仪的指标要求。     

《墨经》中关于测定凹球面镜曲率半径方法的记载

从《墨经》中"光学"部分试验中总结出来的一套测定凹球面镜曲率半径的方法,从而确定了焦距的大小,也为生产各种规格凹球面镜提供了检验方法.     

主焦点式光学系统的光机结构设计与装调检测

针对应用在极轴式望远镜中的主焦点式光学系统,从主镜的支撑设计与分析、主镜的装调检测、校正镜组件的设计装调和系统的装调检测等方面进行了深入的研究.充分应用了有限元法分析主镜的支撑、定心仪检测光轴的同轴度、平行光管检测系统像质等,得出了主焦点式光学系统的一般装调检测方法.装调后的主镜面形检测结果均方根值达到0.042 8λ,校正镜组的光轴同轴误差达到12.4″.对系统的像质评价采用能量集中度法,成像在靶面上的星点80%能力集中度在24 μm×24 μm范围以内,达到设计指标要求,说明系统结构设计合理,装调检测方法可行.该方法和思路可推广至其他主焦点式光学系统的装调检测工作.     

基于裂隙灯转鼓的数字化装校技术研究

针对裂隙灯转鼓的光学装校，提出一种数字化装校方法。该方法采用透射式装校系统原理，在检测光路前后加入十字线，通过观察2个十字线在CCD图像中的成像来判断装校质量，最后通过图像处理得到数字化信息。通过提取2个十字线的中点坐标，判断转鼓光学系统的光轴是否一致；通过提取CCD图像的清晰度大小，判断转鼓光学系统是否对焦。利用该方法对转鼓进行装校，结果表明:该方法是一种利用图像处理技术将装校位置信息转化为数字信息的数字化方法，通过数字图像分析装校误差在0.1 mm以内。     

一种精确测量光学球面曲率半径的方法

在简要总结各种检测光学球面曲率半径方法优缺点的基础上,提出了利用激光跟踪仪和激光干涉仪测量光学球面曲率半径的新方法。首先,通过激光跟踪仪精确定位测量干涉仪出射球面波前的焦点和待测球面镜的曲率中心点坐标,再调整待测球面镜与干涉仪的相对位置,使待测球面镜达到零条纹干涉状态,用激光跟踪仪测定此时待测球面镜上多点的位置坐标,通过计算分析即可得到待测球面镜的曲率半径。研究和分析了这种测量光学球面曲率半径方法的基本原理,并提出了针对凸球面镜曲率半径的多区域测定平均综合优化的方法。结合实例对一口径为400mm的球面透镜进行了曲率半径的测量,测量得到其两面曲率半径分别为1022.283mm(凸面)和4069.568mm(凹面),并将该透镜进行了轮廓法测量对比,其相对误差都小于0.05%。     

折反射式零位补偿检验(续)

为了研究双透镜和球面镜之间不同球差分配对折反射式补偿器补偿效果的影响,以三级像差理论为基础,针对两个不同相对口径的凹抛物面镜,采用不同内部球差分配,分别设计了一组折反射式补偿器,将结果绘制成曲线.从曲线可看出,当球面镜球差分配系数从0逐渐增大到0.5时,对应折反射式补偿器补偿能力先增强,达到极值后下降.球面镜球差分配系数为零时,球面镜不承担球差,球面镜变成半径无穷大的平面镜,折反射式补偿器即变为Offner补偿器.研究表明,折反射式补偿器补偿能力强,但不同内部球差分配对补偿效果影响较大,合理选择球面镜球差分配系数对折反射式补偿器设计是有利的.     

三点支撑变形对三反射消像散望远镜像散场的影响

为了提高大口径望远镜的装调效率,对具有三点支撑变形的大口径三反射消像散望远镜在装调过程中的像散场分布进行了研究。采用矢量像差理论和孔径坐标变换,分析了在孔径光阑和非孔径光阑处反射镜存在三点支撑变形时,像散在望远镜失调和非失调情况下的分布特性。最后,在光学设计软件CODE V中利用条纹Zernike多项式Z10和Z11来模拟反射镜三点支撑变形引入的面形误差,通过实际光线追迹对像散场分布特性进行了验证。分析结果表明:当三点支撑变形位于主镜(孔径光阑)上时,不会影响望远镜的像散场分布;当三点支撑变形位于次镜或三镜(非孔径光阑)上时,将会产生与视场共轭成线性的像散项,导致望远镜在失调或非失调情况下的像散出现不同的分布特性。在最终装调时,通过分析像散场的分布可对望远镜的装调状态进行定性的分析,从而为大口径三反射消像散望远镜的装配提供指导。     

多视场电视观瞄具的光轴调校技术

针对如何实现多视场电视观瞄具光轴平行性和稳定性的调校,根据其光机系统结构,提出了CCD靶面与双光楔相结合的调校技术方案,通过设计和搭建安装基面与光轴平行的装调装置,用平行光管自准直法建立了统一的装调基准。通过分析双光楔调校原理,对调校技术方案进行优化,添加了双光楔配对和粗调误差控制的工艺要求。经过装调、测试验证,光轴平行性可达0.1 mrad,光轴稳定性可达0.05 mrad。     

Ф2020 mm口径空间红外相机主反射镜设计

针对某Ф2 020 mm主反射镜,为了保证空间红外相机主反射镜具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率,对其支撑结构进行了针对性研究。根据反射镜的尺寸形状和面形精度要求,确定了反射镜的背部支撑方案。设计了采用两种柔性方式串联的柔性结构用于主反射镜的支撑,并确定了柔性环节的应力最大位置。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析,结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.02 nm,组件一阶谐振频率为95 Hz。对相机处于装调状态装星状态时反射镜的面形进行了有限元分析,结果表明满足总体对主反射镜的设计要求。     

批产化空间透射镜头自动装校系统的设计和验证

针对批产化空间透射镜头短周期、高精度和高像质一致性的研制需求,研发了一种自动调整、在线检测、自主分析和自动校正波像差的自动装校系统。首先,设计了透镜自动调整方式和悬浮胶粘的结构形式,采用坐标投影将透镜失调量的测量值转换为调整装置的线性调整量,利用电机驱动调整装置的组合运动实现透镜自动调整。然后,设计了镜头调整检测集成平台和波像差校正模块,根据系统波像差测试结果自主分析透镜自由度调整量,并驱动调整装置运动实现透镜位置的补偿调整,通过均衡校正残留波像差的方式保证批次间像质的高一致性。最后,对20套批产化镜头进行自动装校实验,镜头研制周期为3天/套,透镜失调量控制精度优于10″和5μm,批次间相应视场调制传递函数最大偏差为0.026。实验结果表明,本系统可为批产化空间透射镜头装校提供一种高效的自动化研制途径。     

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。     

用于半导体激光器的高效能量耦合镜与整形镜

根据波差理论,分析了用于半导体激光器的高效能量耦合镜耦合效率的计算方法,讨论了高效能量耦合镜与整形镜设计方案及装校方法,提供了有关设计参考曲线与参数。