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。     

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。     

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。     

离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解

针对光学元件高精度确定性加工,提出并实现了基于自适应步长算法实现离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解。首先,对常规的等步长算法实现抛光轨迹段划分所存在的诸多问题进行了重点分析。其次,针对这些问题,提出了等效驻留时间轮廓计算方法及自适应步长算法,有效地避免了等步长法所存在的问题。然后,采用新算法对f600 mm平面反射元件进行了实例计算,经加工后,元件98%口径内的面形精度峰谷（PV）值由110.22 nm（/5.7,=632.8 nm）收敛至4.81 nm（/131.6）。最后,基于自研的离子束抛光设备,实现了光学元件在100 mm口径内面形PV值小/70的超高面形精度。     

基于非线性优化方法的离轴非球面轮廓测量面形恢复技术

轮廓测量是非球面光学镜面的重要测量手段,然而在测量过程中由于测量坐标系与理论坐标系间存在偏离,测量结果中存在误差。本文分析了离轴非球面的测量坐标系与理论坐标系间的平移和偏转误差在面形结果中引入的测量误差形式,根据最小二乘原理建立优化函数,依照函数特性通过数值差分法快速求解梯度并利用非线性优化方法优化偏差,从而将该误差从测量结果中剔除。仿真分析表明这种方法能在镜面面形残差和测量系统的随机误差的影响下有效恢复镜面面形信息。利用该方法实际指导直径为570mm的离轴椭球面的加工,经过四个周期的测量-研磨过程使该镜面面形误差的PV值从34.80μm收敛至13.83μm,RMS从3.28μm收敛至1.89μm。为了进一步比较,对一块220mm×96mm矩形离轴椭球面测量,验证了该方法测量异形离轴镜面的适用性和通用性。     

应用离子束进行光学镜面确定性修形的实现

为了克服传统光学镜面抛光方法的缺点,提出了应用离子束进行光学镜面修形的方法.介绍了离子束修形技术的原理和方法,并对离子束修形中涉及的关键技术进行了讨论.在自研的离子束修形设备上对一块直径φ98 mm的微晶玻璃平面样件进行了离子束修形试验,经过两次的迭代修形使其面形精度均方根误差由初始的0.136λ提高到0.010λ(λ=632.8nm),平均每次迭代的面形收敛率达到3.7.实验结果表明,应用离子束进行光学镜面修形无边缘效应、面形收敛快、加工精度高;由于离子束修形技术去除材料过程自身的特点,使数控离子束修形技术对非球面的加工和对平面的加工难度相当.     

光学面形的轮带光学抛光方法研究

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题,轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一;提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性,采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验,经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差（RMS）由初始的0.109 提高到0.028 ,平均每次收敛率达到1.3。实验结果表明,应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形,面形收敛速度较快,加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力,为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。     

光学面形的轮带光学抛光方法研究

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题,轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一;提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性,采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验,经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差(RMS)由初始的0109 λ提高到0028 λ,平均每次收敛率达到13。实验结果表明,应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形,面形收敛速度较快,加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力,为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。     

基于数控加工高次离轴非球面反射镜的刀具轨迹规划研究

研究了五轴机床铣磨高次离轴非球面技术,分析了B-C双转台五轴机床的运动学原理,得到了刀轴矢量与B、C轴转角的数学映射,建立了刀具轨迹算法模型。针对高陡度高次离轴非球面矢高变化率太大等问题,对其进行坐标系变换使其近轴端和远轴端等高,将离轴非球面由母镜坐标系位置转化到子镜坐标系位置,坐标变换后高次离轴非球面在子镜坐标系下的方程求解困难,提出一种新的求解旋转后高次离轴非球面坐标的方法,最后通过Matlab仿真和实例分析,利用五轴机床加工等高处理的高次离轴非球面,经三坐标测量仪测量,结果为面型PV值5.92μm,RMS值为0.893μm,验证了刀具轨迹算法和坐标变换算法的正确性。     

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。     

大型光学红外望远镜拼接非球面子镜反衍补偿检测光路设计

为了实现大口径、长焦距、批量化离轴镜面的高精度面形检验,本文提出了一种零位反衍补偿检测方案,采用计算全息和球面反射镜共同对离轴镜面法向像差进行补偿,检测光路波像差残差接近于零。检测方案为非轴对称离轴结构,设计了相应的全息对准光路,以保证检测光路装调切实可行。不同离轴量子镜检测光路参数完全一致,仅需更换相应位置计算全息片、调整待测镜空间姿态,即可实现不同类型镜面的快速批量化检验。误差分析结果表明,由补偿元件制造误差、光路失调、干涉仪面形测量重复性以及干涉仪标准球面波偏差引起的待测镜面形误差小于λ/40 (RMS值,λ=632.8 nm)。     

离子束作用下的光学表面粗糙度演变研究

 为了获得超光滑光学表面,介绍了离子束作用下改善表面粗糙度的抛光方法,并通过相关的实验进行了验证。光学材料是典型的硬脆材料,在加工过程中的表面粗糙度要经历复杂的演变过程。离子束加工作为光学镜面加工中的最后一道工序,如果在修正面形的同时,能够有效地改善表面粗糙度,那么离子束加工的性能就可以得到更好的延伸。分析了离子束作用下的粗糙度演变机理,在此基础上提出了倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术2种改善表面粗糙度的方法,并使用原子力显微镜进行了测量。实验结果表明：以45°倾斜入射抛光熔石英样件,其粗糙度由初始的0.67nm RMS减小到0.38nm RMS;涂上牺牲层的材料表面粗糙度由0.81nm RMS减小到0.28nm RMS,倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术能够有效地改善表面粗糙度。     

应用离子束修正高精度CGH基底

计算全息图(CGH)作为零位补偿器广泛应用于高精度非球面的检测中,但CGH的基底误差直接限制了非球面的检测精度。为了获得超高精度的CGH基底,提出了应用离子束修正CGH基底的加工工艺。采用不同束径的离子束去除函数对一边长152 mm(有效口径140 mm圆形区域)、厚6.35 mm的正方形熔石英CGH基底分别进行了精抛、精修和透射波前修正实验。经过总计7轮的迭代修正,最终获得了透射波前为PV值20.779 nm、RMS值0.685 nm的超高精度CGH基底。实验结果表明:应用离子束修正高精度CGH基底的加工工艺具有较大优势,不仅具有较高的加工效率而且可以获得超高的加工精度。     

超薄光学元件精密加工关键技术

针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点,提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差;在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛;在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm,厚度6.35 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明:在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平,最终的面形精度为PV=25 nm,RMS=1.5 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。     

光学镜面离子束加工去除函数工艺可控性分析

实验分析了离子束加工去除函数的工艺可控性问题并进行了初步修形实验。从工艺实现的角度分析光学镜面离子束加工技术对去除函数的要求,以去除函数环半峰全宽、体积去除率和峰值去除率为评价指标研究去除函数的长时稳定性、线性性、小扰动鲁棒性以及大参数调节变化等特征,以此分析结果为依据,对Φ100mm K4平面样件进行了修形,经过三次迭代面形RMS误差从0.149λ收敛到0.013λ。实验结果表明:离子束加工中的去除函数具有较长时稳定性,去除量对时间具有线性关系,对工艺参数小扰动的鲁棒性,可以通过调节离子源电源参数优化选取去除函数的宽度和幅值;利用离子束可以对镜面进行高效地修形。     

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。     

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.     

纳米级面形精度光学平面镜加工

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。     

一种光学仪器镜面面形的处理方法

光学镜面表面变形包含刚体位移和表面畸变,其中表面畸变是影响成像质量的主要因素,因此需去除刚体位移,分析表面畸变。通过坐标变换生成一个新的理论镜面,用该镜面拟合变形镜面,用拟合镜面与变形镜面轴向差值计算出表面畸变的RMS值及PV值。实例计算表明该算法拟合精度较高,适用于抛物面、球面镜在支撑和装夹下的镜面面形精度分析。     

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.