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。     

温度和支撑方式对1.2m SiC主镜面形的影响分析

为了研究温度和支撑方式对大口径SiC主镜用于地基望远镜的影响,基于1.2 m SiC主镜建立了有限元模型,分析了主镜在被动支撑和自由膨胀时,恒定温度场,轴向温度梯度,径向温度梯度和内外温差等对主镜面形的影响.结果表明,存在温度梯度时,支撑方式影响不明显,无论是被动支撑还是自由膨胀,镜面面形均很大.在达到热平衡后,即稳态...     

温度和支撑方式对1.2 m SiC主镜面形的影响分析

为了研究温度和支撑方式对大口径SiC主镜用于地基望远镜的影响,基于1.2 m SiC主镜建立了有限元模型,分析了主镜在被动支撑和自由膨胀时,恒定温度场,轴向温度梯度,径向温度梯度和内外温差等对主镜面形的影响.结果表明,存在温度梯度时,支撑方式影响不明显,无论是被动支撑还是自由膨胀,镜面面形均很大.在达到热平衡后,即稳态温度场下,支撑方式的影响明显,只有在主镜自由膨胀时,温度对主镜面形的影响比较小,镜面的RMS<0.02 nm/℃.因此如果主镜采用柔性支撑或浮动支撑方式,大口径SiC主镜可以应用在地基望远镜中.     

基于Levenberg-Marquardt算法的大型非球面镜轮廓数据处理方法

大型非球面镜通过加工 检测 再加工 再检测的制造工艺以满足面形精度要求,根据检测后的轮廓数据准确评定面形是提高再加工精度的关键。为解决抛光前镜面的面形评定问题,采用基于信赖域法则的Levenberg Marquardt算法对参数进行拟合、误差补偿以及面形评定。利用Code V仿真分析算法性能,构建大型非球面轮廓仪测试抛物面加工件,对实测数据经过32次迭代得到元件参数及轮廓残差曲线,收敛精度为1.1610-21。实验表明:该算法可对大型非球面镜轮廓数据进行高效准确的拟合、评定,为进一步提高再加工精度提供可靠依据。     

基于条纹反射的非球面镜三维面形测量

提出一种利用条纹反射原理测量非球面镜的新方法.测量过程中,利用液晶屏显示正弦条纹,由摄像机记录由待测镜面反射产生的条纹图.并将显示屏和摄像机分别沿待测镜面轴向移动.摄像机在每个移动位置上,记录下显示屏移动前后产生的两幅条纹图.通过相移方法,得到条纹图的相位信息后,对摄像机上每个象素点,能在待测镜面卜找到一个对应待测点,并在获得该待测点的梯度信息的同时,获得该点位置坐标信息.最后通过积分,恢复待测镜面的三维高度信息.该方法不需辅助反射镜与干涉仪,能更加方便灵活地测量非球面镜.并且该方法有较好的抗噪性能,在噪声较大的情况下,仍能对非球面镜进行测量.模拟及初步实验均验证了该方法的可行性.     

1.5m级大口径标准镜面支撑系统的研究

现阶段科研检测仪器对光学镜面的面形精度要求越来越高.光学镜面的口径越大,自重导致的变形问题越严重.为了保证大口径标准镜在法线水平状态下的面形精度,提出了侧面钢带支撑和杠杆平衡重锤卸荷的组合支撑结构,与传统使用的钢带支撑、水银带支撑方式作了比较,并通过ansys有限元分析软件建立的模型对几种不同侧支撑方法进行了分析比较,...     

大口径空间反射镜高精度面形检测的支撑技术研究

 由于空间失重状态与地面状态不同,大口径空间反射镜在地面检测时需要通过特殊支撑结构对其重力进行卸载,同时严格控制支撑力引入的反射镜变形,以满足反射镜高精度面形检测的要求。通过对一口径750 mm的空间SiC非球面反射镜进行检测,对比分析检测结果和有限元仿真结果,研究支撑结构对反射镜面形所造成的影响。主要针对吊带支撑和中心支撑进行详细的检测验证,分析其不能实现该反射镜高精度检测的原因;通过改进支撑方案,最后提出背板支撑,改善支撑变形的影响,不同角度下测量重复性达到纳米级,收到较好的检测效果,为该反射镜加工质量和加工效率的提升奠定了基础。     

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。     

大口径球面镜支撑系统的优化设计

应用有限元法并借助于有限元分析软件,建立了轴对称平面单元和三维实体有限元模型.对1.2 m球面反射镜的支撑系统进行了优化设计,优化确定了轴向支撑圈数、支撑半径和支撑点排列组合、侧向支撑位置.分析计算出主镜在水平放置轴向支撑作用和竖直放置侧支撑作用下重力引起的镜面面形误差RMS值分别为2.5 nm和3.16 nm,满足设计指标要求,预示了所设计的支撑系统方案的合理可行性.     

基于PMD的反射镜面检测实验分析

将相位测量偏折术应用于非球面反射镜面形检测,并对实验检测结果的中高频误差进行了分析研究。计算机产生正弦性条纹图,并且显示在薄膜场效应晶体管显示屏上。摄像机通过被测反射镜观察并拍摄显示屏上的条纹图。利用相移技术和相位展开技术计算得到相位分布。以相位信息为载体对光线进行追迹,并根据反射定律得到面形梯度分布,由数值积分重建面形分布。最后使用泽尼克多项式拟合分析了其中高频误差。     

基于有限元分析的小口径离轴抛物面反射镜支撑结构设计

为降低小口径反射镜在复杂环境下的面形误差,满足其动静态刚度和热稳定性要求,通过选用合适的空间载荷材料,对反射镜进行轻量化设计,合理设计可装调的反射镜挠性支撑组件,采用ANSYS对反射镜组件进行有限元分析。分析结果表明:组件一阶固有频率是3 168.5 Hz,在1 g重力作用下反射镜面形误差RMS值可达8.06 nm,在10℃温升载荷作用下RMS可达5.58 nm,在1 g重力和10℃温升载荷耦合作用下RMS值可达11.05 nm,组件在10 g加速度作用下最大应力是2.109 8 MPa,简谐激励作用下最薄弱环节最大响应应力为1.284 6 MPa,均完全满足反射镜组件设计指标要求,验证了支撑结构设计的合理性。     

诺莫图法在薄透镜和球面镜成像分析中的应用

在满足近轴光线的条件下,可以利用成像公式和光路图法分析薄透镜或球面镜的物像关系,而本文介绍的这种诺莫图法,可以在直角坐标系上用坐标图示法分析薄透镜和球面镜的物像关系,不仅可以精确求得实物或虚物的成像位置,还可以判断出像的性质,具有简单、直观等特点,可以作为分析物像关系的一种补充手段.     

X射线干涉光刻偏转聚焦系统热载影响与分析

为缩短实验前的等待时间，减小热辐射对光学元件的损伤以及热变形对实验的影响，充分利用同步辐射X射线获得稳定有效的实验结果，对X射线干涉光刻(XIL)光束线偏转聚焦系统进行了热结构耦合分析。针对上海光源(SSRF)的光源参数，计算偏转聚焦系统所受的热功率密度分布，在此基础上对偏转聚焦系统在相同载荷、不同边界条件下进行了瞬态热平衡分析，得到双柱面镜M1、M2达到热平衡所需的时间、温度分布，并做了比较分析。结果表明，对XIL光束线上偏转聚焦系统的M1、M2采用间接水冷方式可削弱热载效应，达到热平衡的时间分别由8677 s和7850 s缩短到960 s和840 s，最高温度分别由182.73 ℃和129.73 ℃降低到57.94 ℃和47.29 ℃，此时的最大面形误差分别为7.23 μrad和9.24 μrad，缩短了从开机到实验的等待时间，在提高实验效率的同时能够获得稳定有效的实验结果。     

振动对面形测量误差的影响分析

振动会使高精度面形测量产生误差。建立了振动对干涉测量面形的误差模型,应用13步移相算法分析了在振幅为63 nm时的误差情况。分析结果表明,当面形测量误差的敏感频率为12 Hz时,振动引起的面形均方根(RMS)误差约为12 nm。通过实验进行了验证,仿真分析结果和实验结果基本相同。实验分析了在12 Hz时,振幅为5~63 nm时,对应的测量面形RMS误差为1~7.1 nm,振幅和RMS误差线性增大。为不同振动频率和振幅引起的面形RMS的误差分析和高精度面形测量的振动环境控制提供了一定的参考。     

Schwarzschild物镜装卡应力对光学元件面形的影响

为了实现接近衍射极限的分辨率,工作在极紫外波段的Schwarzschild物镜要求其光学元件的面形精度达到约1 nm（RMS值）;而在物镜的装配过程中,装卡产生的应力会影响光学元件的面形精度,定量计算装卡应力对元件面形的影响是获得高分辨率成像的关键。在光学设计、公差分析的基础上,采用有限元模型系统地分析了应力对Schwarzschild物镜光学元件面形精度的影响。结果表明：采用自行设计的物镜结构,应力对主镜面形的影响可以达到0.7 nm,而对副镜的影响可以忽略;应力所产生的光学元件面形变化会使系统的几何传递函数(5000 lp/mm)从0.76下降到0.61。     

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。     

1m口径主反射镜支撑系统的优化设计

应用有限元法并借助有限元分析软件建立了主镜的三维实体有限元模型,对1m主镜的支撑系统进行了优化设计。分析比较了两种常用主镜侧支撑结构,优化确定了轴向支撑半径、侧支撑方式和侧支撑点位置。分析计算显示主镜处于不同俯仰角位置时的最大面形精度RMS值为5.3nm,满足设计指标要求,该有限元优化设计方法和过程不受主镜直径及厚度的影响,适用于平面、球面、非球面甚至异形面主镜的设计。结果表明了所设计的支撑系统方案的合理性与可行性。     

光电经纬仪主镜面形变化的有限元分析

为了从整体上了解装配支撑系统后主镜面形变化情况,采用有限元分析方法对某光电经纬仪主镜系统结构进行了分析.在不同倾角下分析镜面及其支撑系统的自重变形,得出镜面及其支撑系统在各个俯仰高度上的变形位移.分析结果表明,在各个倾角状态下,主镜在Z方向上位移较大,最大达1.4 μm,造成镜面反射面平移,对反射面焦距有影响;X方向为旋转轴方向,变形较小,为0.01";Y方向为镜面倾斜方向,变形在0.5"左右,造成镜面弯曲.     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

1.8m望远镜变形次镜波前拟合能力分析

波前拟合能力分析是变形次镜研制工作的重要组成部分,是基于变形次镜的新型自适应光学系统研制的重要基础.以拟合误差为评价标准,采用有限元计算所得驱动器影响函数对1.8 m望远镜变形次镜四个备选方案进行了泽尼克(Zernike)多项式、Kolmogorov湍流大气畸变相位屏拟合能力分析.结果表明73单元变形次镜波前拟合能力较...