基于弹性力学的应力加工方法有限元分析

基于弹性力学理论,对应力加工方法的原理、算法及玻璃薄板对复杂面型的模拟进行了研究。在球面镜周边分布力和力矩的状态下对球面变形为轴对称非球面进行了分析,以抛物面镜为例,采用有限元法对玻璃薄板周边施加均布弯矩后产生的变形量和最大应力进行了模拟、分析和仿真计算,得出的仿真结果与球面和抛物面之间的理想变形量进行比较,验证了基于弹性力学的应力加工方法加工旋转对称非球面理论的正确性。     

高精度高次非球面最接近球面计算方法

分析了高次非球面与其加工用最接近球面之间的几何关系特点,提出了一种基于1维搜索的高精度高次非球面最接近球面计算方法。该算法可以计算二次或高次凹（凸）非球面的加工用最接近球面半径、球心位置及非球面度。通过计算实例与现有计算最接近球面的方法相比,该算法在计算高次非球面时将最大非球面度从500.8 m减小到30.0 m,在计算二次非球面时计算结果与精确公式法得到的结果一致。计算实例表明该方法计算高次非球面时得到的最接近球面更优、计算精度更高,且适用于任意次非球面最接近球面的精确计算。     

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。     

基于斜率非球面度的非球面最接近比较球面定义

为了准确表征非球面偏离球面的程度,并适用非球面检测技术,提出了采用斜率非球面来定义非球面最接近比较球面。分析了最小最大斜率非球面度相关与计算全息板的加工难度及非球面检测难度,并有利于减小激光束偏转法的测量误差。根据定义推导了最接近比较球面计算模型,分析了不同比较球面下的斜率非球面度分布、不同非球面的最接近比较球面位置、非球面参数对计算结果的影响及各种非球面度定义下的最接近比较球面。结果表明,不同非球面的最接近比较球面球心为非球面0.85～0.87口径法线与光轴的交点,从而优化了计算过程。定义求得的最接近比较球面不同于现有各种方法,是适应非球面检测需求的。     

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。     

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。     

激光束偏转法非球面面形测量和计算

提出了一种综合测量非球面面形的激光束偏转法 ,针对不同类型的非球面 ,共提出了三种方案 :平移法、转动法和平移转动法。该方法可测各种非球面 ,通用性强。并对激光束偏转法中对面形测量精度有极大影响的激光束反射角的测量作了重点介绍。实验结果显示 ,该方法测量精度达到λ/5～λ/10 ,接近干涉法的水平     

非球面复制成型技术的研究

光学非球面复制成型技术是一种通过面形转移的方法成型光学非球面的技术,即将高精度非球面光学元件(母模)的表面利用脱模膜和胶粘剂转移到球面光学元件(基体)的表面上,并保持原非球面光学元件的光学品质,使球面变成非球面。介绍了该技术的基本原理以及所进行的工艺实验(镀膜、脱模、胶合等),给出了母模和复制件的面形图,证明了该技术用于中小口径非球面光学元件的制造具有较高的精度。     

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...     

超薄镜破坏阈值的研究

新一代空间相机的非球面主镜由一些超轻超薄的分块镜组成，由于目前通用的空间光学反射镜材料非常有限且大部分均为脆性材料，在力的作用下产生强制性的变形将引起镜体大的应力甚至破碎，所以必须研究超薄镜的破坏阈值。首先将弹性力学中应力强度因子的概念引入主动光学中，证明了应力强度因子即传统意义的材料破坏阈值。提出材料表面的微裂纹是材料脆性断裂的根本原因。介绍了一种计算材料应力强度因子的方法。最后针对超薄平面镜模型进行了实例计算，得到了超薄镜的破坏阈值与其尺寸、厚度、支承条件、表面粗糙度之间的关系。     

主动抛光盘磨制非球面的工艺与面形检测

主动抛光盘技术特别适用于磨制焦比大的深度非球面,能够根据需要对抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制非球面镜面。它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。用计算机控制磨制,可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了用国内首次研制成功的主动抛光盘对加工直径910mm、焦比F/2的抛物面镜的工艺方法的初步探讨,并给出了抛物面镜的检验方案和检测结果。     

一种大口径大非球面度天文镜面磨制新技术

主动抛光盘技术是近年来因天文望远镜的口径越来越大,焦比越来越快而发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制大口径非球面度高精度天文镜面的磨制技术。非球面表面的曲率不仅各点不一致,而且同一点的径向与切向曲率也不相同,所以经典的大的抛光盘不可能使其表面形状始终与所接触的非球面表面形状相吻合;常用的小磨盘抛光的致命缺点是解决不了高频切带,抛光效率也低。而主动抛光盘技术正好解决这些难题。与传统方法相比,它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。这是一种用计算机控制的磨镜技术,通过它可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了我国成功研制的主动抛光盘以及它在直径910mm,焦比F／2抛物面镜加工中的成功应用和加工的结果,以及此项技术将在2m以上直径天文镜面,特别是30m巨型天文光学／红外望远镜的分块子镜磨制中的应用前景。     

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。     

Φ1.2m球面镜支撑的力学分析和试验研究

通过使用有限元软件对大镜面进行模拟计算和分析,可以预先确定加工和装校支撑方法是否符合设计要求,从而有效地减少了设计的盲目性。分析计算了口径为1 2m的球面镜在不同工况下的受力变形。按选择的支撑和检验方式进行了装校试验,实际的球面镜检验结果验证了分析的正确性。     

大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术

针对大口径离轴凸非球面面形检测的困难,本文将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接干涉技术相结合,提出了凸非球面系统拼接检测方法。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型。当离轴三反光学系统的主镜和三镜加工完成以后,对整个系统进行装调和测试,并依次测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息,从而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障。结合工程实例,对一口径为287 mm×115 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,经过两个周期的加工和测试,其面形分布的RMS值接近1/30λ(λ=632.8 nm)。     

组合非球面太阳能聚光镜的光学设计

提出了一种组合非球面反射型太阳能聚光镜并给出了设计方法。聚光镜由38片非球面组成,每一片非球面都由一组特定系数C,a₂,a₄,a₆,a₈,a₁₀的偶次非球面方程决定,是此特定非球面的一部分。根据非球面方程和光反射定律矢量形式,导出了非球面内壁上太阳反射光束的方向矢量与非球面系数C,a₂,a₄,a₆,a₈,a₁₀的关系,适当地选择这些非球面系数,即适当地调整非球面面型,可以使太阳反射光束具有特定的方向矢量,使入射到非球面内壁上的太阳光束反射后全部聚焦在某一特定的区域内,形成小的光斑。每组特定系数都用粒子群优化算法求得,并经计算机模拟和实验证明其聚焦效果。聚光镜的光束压缩比为330：1,其聚焦光斑可作为一种高温热源,而此聚光镜可以用在太阳能加热装置中。     

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...     

Single Telephoto Lens for Focus Error Detection with Astigmatic Method

An astigmatic method for focus error detection has been integrated into a singlet. The first convex and the second concave surfaces compose a telephoto system with a telephoto ratio of about 0.4. The first surface of the lens is rotationally symmetrical asphere and the second surface is a toric shape whose aspherical profiles correct spherical aberration. We implemented our optical design using a molded glass process. Its performance was confirmed using the optical head of a magneto-optical disk system.     

子孔径拼接检测非球面的初步研究

使用子孔径拼接技术可以无需补偿器、大口径的辅助镜、全息图等辅助元件实现对大口径、大偏离量、高陡度非球面甚至离轴非球面的检验,而且可以同时获得中高频的相位信息,大大地提高了测量精度,降低了成本。在总结了常用检测非球面方法优缺点的基础上提出了利用圆形子孔径、环形子孔径检测非球面的基本原理,并对其步骤的实现、数学模型的建立和拼接算法的开发进行了分析和研究。结果表明,子孔径拼接检测技术可以作为补偿检验以外的另一种定量测试非球面的手段,可以和其它检测方法相互验证,从而确保检测的准确性和可靠性。     

子孔径拼接干涉检测离轴非球面研究

将子孔径拼接技术与干涉技术相结合提出了一种新的检测离轴非球面的方法,该方法无需其他辅助光学元件就可以实现对大口径、离轴非球面的测量.对其基本原理进行了分析和研究;并基于齐次坐标变换、最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;开发了子孔径拼接检测非球面的算法软件,并设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置;利用综合优...