大口径轻质非球面反射镜制造技术研究

研制某卡塞格林光学系统的关键技术之一是通光口径超过1000mm的轻质抛物面主反射镜。该反射镜相对口径为1/2,减重率为65%,是目前国内最大口径的轻质非球面反射镜。成功地解决了大口径轻质镜坯的制造和大口径轻质非球面镜的加工与检测方面的难题。通过对高比刚度轻质镜的设计和进行CAD工程分析以及选用合理的光学材料,采用计算机控制的数控钻铣技术制造出了反射镜镜坯。在经典光学加工技术的基础上,摸索到了针对大口径轻质镜的支撑、加工与检测方面的技术。检测结果表明,该反射镜的研制达到了各项设计指标,其面形精度的均方根值RMS=0 029λ(λ=633nm)。     

抛物面反射镜光轴的确定

介绍了一种确定抛物面反射镜光轴的新方法。当抛物面反射镜绕着机械旋转轴旋转时,利用2束平行光(一束与机械旋转轴平行的光和一束与机械旋转轴成一定角度的斜平行光)经抛物面反射镜反射的像点运动,调整抛物面反射镜的位置,使光轴与机械旋转轴重合。理论分析结果表明：其定轴的倾斜误差不大于1′,平移误差不大于5μm。该方法可用于抛物面反射镜检验,也可用于抛物面反射镜的调校工艺中。     

计算全息图CGH非球面干涉检验

<正> 一、前言非球面光学元件的干涉检验,可以用平面自准直法和补偿检验法。但是,平面自准直法只限于抛物面反射镜。光学补偿法虽能用于各种非球面光学元件,但光学补偿件的加工较复杂,调整麻烦。我们知道用计算全息图可以再现一个用数学解析式表示的波前或它的傅里叶变换。同样的道理可用计算全息图再现一个理论计算的像差波面对非球面进行补偿干涉测量。这方面的工作在国外已有报道。     

非球面非零位检测的逆向优化面形重构

非球面的非零位检测较其零位检测而言具有更强的通用性,但非零位检测偏离了零位条件,所产生的回程误差给被测非球面的面形重构带来一定困难。针对非球面非零位检测中回程误差的校正与面形重构问题,提出了基于检测系统理论建模的非球面面形逆向求解技术。该方法对实际检测系统进行理论建模,设置被测面面形为变量,以实际检测到的波前作为目标函数,通过拟合优化得到的结果进而重构出被测面面形。对逆向优化重构技术进行了仿真验证、实际检测和误差分析,实际测量口径为101.0mm的凹抛物面反射镜,检测结果与标准零位法测得结果一致,峰谷值和均方根值误差分别优于λ/20和λ/50。     

2m量级SiC非球面反射镜的摆臂轮廓检测

提出采用摆臂式轮廓检测的方法,实现超大口径Si C反射镜面形的高精度轮廓检测。阐述了采用摆臂轮廓仪检测超大口径反射镜的基本原理和具体实施流程;介绍了基于扫描线交点高度一致性的特点进行面形重构的算法,以及针对离焦量测量不准的问题,采用激光跟踪仪对面形离焦量进行辅助测量的手段,建立了综合优化的检测模型;结合实例对口径为2040 mm的同轴抛物面Si C反射镜进行了摆臂轮廓检测,检测精度均方根(RMS)为0.46μm,与干涉仪检测结果对比偏差0.03μm。该技术与加工机床集成实现了反射镜的在位检测,以非球面的最接近球面为测量基准,提供了一种精确、高效地测量超大口径光学非球面面形的方法,满足了大口径Si C反射镜在研磨阶段的高精度轮廓检测需求。     

Φ420mm离轴抛物面反射镜的制造

本文报告Φ４２０ｍｍ大口径离轴抛物面反射镜的加工与检测技术。给出了加工方案的确定原则，起始球面的选择，离轴抛物面非球面度的计算。讨论了在母抛物面加工过程中，以离轴镜面位置做为子孔径检验来控制母抛物面面形，从而最终保证离轴镜面形的子孔径立式检验方法。并对加工检验中各元件之间的相互位置精度要求作了分析与估算。报告了离轴镜从母体镜上套挖的工艺方法。给出了离轴镜的检测结果。     

激光干涉法检测大口径抛物面反射镜

针对非球面度为0.2λ的大口径抛物面反射镜,采用激光干涉法在ZYGO干涉仪上进行直接检测.对从干涉图获得的实际波面与理论计算的理想波面进行相减,得到被检抛物面镜的实际面形误差.将表面绝对检测技术引入非球面面形检测中,并与波面相减技术相结合,从而使检测准确度提高了0.1λ.用自准直法验证了本方法的可行性.     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40RMS(λ=632.8nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40 RMS (λ=632.8 nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60 RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

准光激励毫米波圆波导旋转TE6 2模式产生器

 介绍了采用准光方法激励圆波导产生旋转TE_{6 2}模式的设计原理、测试方法和实验结果。该模式产生器由毫米波光学系统和开放同轴波导谐振腔系统组成:毫米波光学系统由角锥喇叭天线、双曲面反射镜、抛物面反射镜、修正抛物面反射镜等部件组成;开放同轴波导谐振腔系统由开放同轴波导谐振腔、圆波导、测试辐射喇叭天线组成。通过网络分析仪和毫米波近场自动测试系统测试表明:该模式产生器在频率为96.4 GHz附近产生的圆波导旋转TE_{6 2}模式的纯度达到97%。     

应用反射型球面菲涅耳波带片的成像物镜设计

设计了一种应用球面菲涅耳波带反射面与非球面反射面结合的成像物镜。对球面结构的菲涅耳波带反射面进行分析,推导了球面菲涅耳波带反射面近似替代非球面的方法,采用单片球面菲涅耳波带反射面和三片非球面反射面设计成像物镜,在放大倍数100×、视场角120°、菲涅耳数2.5情况下,调制传递函数在放大成像侧可实现0.6 lp/mm的40%以上,畸变小于2.2%。该设计方法为菲涅耳波带片应用于可见光成像提供了参考,并随着菲涅耳器件加工技术的不断发展具有良好的应用前景。     

一种成像光谱仪前置物镜的设计

未来的成像光谱仪要求其光学系统在宽视场和宽波段范围内有高的空间分辨率和光谱分辨率。提出了一种无遮栏三反射镜系统的设计方法。所设计的三反射镜消像散系统包括两个非球面凹反射镜和一个凸球面反射镜。系统的视场角可达到5°,并实现了平场、远心光路的设计,可满足大视场高分辨成像光谱仪前置物镜的使用要求。     

五轴加工中心范成铣磨离轴非球面研究

离轴非球面作为非球面的一部分,是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件.针对空间光学对离轴非球面光学元件制造技术的重大需求,开展了离轴非球面反射镜的精密铣磨加工技术研究.分析了五轴联动范成法铣磨离轴非球面的原理,将离轴非球面所在的同轴母镜离散为一系列不同半径的球面环带,将工件坐标系建立在待加工离轴非球面...     

轻型反射镜研究与发展

应用有限元分析方法研究了自重对轻型反射镜变形的影响，反射镜轻量化技术及关键材料，并研制出Φ６３０ｍｍ轻型熔石英反射镜；高温２００℃、低温－４０℃及５年时效对面形稳定性影响；轻型熔石英反射镜加工技术；轻型反射镜宽带高反射膜系及镀膜技术。利用上述技术研制出Φ３００ｍｍ、Φ４１０ｍｍ、Φ４７０ｍｍ及Φ６３０ｍｍ球面及非球面熔石英轻型反射镜及平面反射镜。轻型反射镜减重达７０％，Φ６３０ｍｍ轻型非球面反射镜仅重２０．２ｋｇ。Φ４７０ｍｍ球面轻型反射镜加工后面形ＰＶ值０．１１７λ，ＲＭＳ值０．０２４λ（λ∶６３２．８ｎｍ）。     

大非球面镜的郎奇检验灵敏度理论研究及仿真分析

为了研究等间距直线条光栅的周期及其他相关参数的变化对大非球面镜朗奇检验法的影响,提出了一种评估郎奇检验灵敏度大小的新方法。其检验灵敏度定义为一个光栅周期所能检测到的镜面偏差大小能力。在朗奇检验的几何原理基础上,利用光线追迹法讨论了镜面偏差与朗奇光栅周期之间的关系,并以此推导出检验灵敏度公式,计算了抛物面镜的朗奇检测灵敏度。分析结果表明,如果给定镜子的规格参数及检验光路,朗奇检验灵敏度分别随着光栅周期间隔和半通光口径的变大而减小。     

折反式大视场星敏感器光学系统设计

讨论了由逆卡塞格林结构和补偿器构成的折反式星敏感器光学系统。该光学系统由一块球面反射镜、一块非球面反射镜以及由同种光学玻璃做成的两块球面透镜和一块非球面透镜组成。具有视场大、相对孔径大和易实现等优点。给出了该光学系统的设计指标和设计思想,并给出了由其初级像差公式确定初始结构参数的方法。经优化设计,得到了全视场为20°、入瞳直径为36.3mm、相对孔径为1∶1.2的光学系统。给出了它的成像质量评价。     

Zone-Plate Interferometer for Measuring the Shape Error of Mirrors with Large Numerical Aperture and Steep Asphericity

A compact zone-plate interferometer is developed to measure the shape error of concave mirrors. A diffracted light of (0, 0) and that of (-1, -1) or (+1, +1) are used in the interferometer. The interferometer enables us to measure the shape error of mirrors with a large numerical aperture and a steep asphericity. The shape errors of a spherical mirror and a parabolic mirror are measured by the interferometer, and that of the former agrees well with that measured by Fizeau interferometer. Methods for adjustments of zone plates and the mirrors being tested are proposed to perform precise measurements of the mirror shapes.Presented at the International Commission for Optics Topical Meeting, Kyoto, 1994.     

计算超薄镜最接近球面的非球面梯度法及有限元分析

利用超薄镜的弹性变形,通过主动光学技术将超薄球面镜变形为所需精度的非球面镜,可以避开大口径超薄非球面镜的制造难题。在分析了传统的非球面超薄镜最接近球面选择原则的基础上,提出了以非球面梯度作为选择原则的依据。针对一个实例,用非球面梯度法和最小二乘法分别求出两个最接近球面并对它们进行有限元法的变形分析,对它们变形后的面形精度和最大应力进行了比较。结果表明,在相同的边界条件、加载个数和加载位置的条件下,以非球面梯度法求出的最接近球面在变形后不仅应力小,且更有利于提高面形精度。     

离轴非球面轮廓测量导轨直线度误差补偿模型

由于研磨阶段非球面的面形误差将由几十微米收敛到几个微米,因此采用高重复精度的离散测量技术是决定误差收敛效率、影响加工进程的关键。在新一代数控光学加工中心(FSGJ Ⅱ)上,设计了双测头对非球面进行面形定量检测的轮廓测量机构。通过对测头运动导轨在x、z方向的直线精度的分析,建立了导轨直线度误差补偿模型,以较低的成本实现了较高的测量精度。     

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。