大口径、离轴凸双曲面反射镜的补偿检验

大口径、大相对孔径凸非球面镜的加工一直都是很困难的。从三级像差理论出发,设计出了离轴凸双曲面反射镜的Null补偿检验系统,克服了采用Hindle球检验口径过大的问题。从设计的结果可以看出,凸双曲面反射镜的像差已经得到了很好的校正,从而使检验变得更加方便。     

一种凸非球面镜补偿检验的新方法

凸非球面检验是光学检验中一个比较困难的问题。结合一块Φ110mm的凸双曲面镜,在分析几种传统检验方法的基础上,提出了一种用透镜组补偿检验凸非球面的新方法。令球差系数∑S1=0,用三级像差理论求解光学系统的初始结构,并通过Zemax光学设计软件对初始结构进行优化,克服了传统检验方法的缺点和不足。从设计结果可以看出,系统的像差得到了很好的校正,使得凸双曲面达到了很高的检验精度,从而使非球面的检验更加方便。     

折反射式零位补偿检验

结合奥夫纳尔折射式零位补偿器和马克苏托夫反射式零位补偿器的优点,对大口径、大相对孔径凹非球面加工检验提出一种折反射式零位补偿检验法.该方法采用放置在非球面顶点曲率中心之前的两块透镜和一块反射镜来实现大口径凹非球面零位补偿检验.依据三级像差理论,推导了初始结构计算公式;通过对口径为1 000mm、顶点曲率半径为4 000mm、偏心率为1.05、中心孔为200mm的凹非球面进行补偿器设计,完成了原理验证,优化后系统剩余波像差峰谷值为0.004 2λ.研究结果表明该方法轴向光路长度短,补偿能力强,可用于允许部分中心遮拦的大口径、大相对孔径凹非球面检验.     

一种大相对孔径凸抛物面检验方法的研究

大口径凸非球面检验是非球面镜制造领域的难题之一。结合项目中一块相对孔径F/0.75,口径为332mm凸抛物面副镜的研制实例,在分析传统检验方法优缺点及适用性后,针对性地提出了一种类Offner透射补偿检验的新方法。基于三级像差理论出发求解其初始结构,使用Zemax软件分析与优化,从设计结果上看,此方法补偿精度很高,有效地补偿了非球面的法线像差。用蒙特卡洛方法分析给出公差分配方案,并研制出类Offner透射补偿器,用于凸抛物面镜的面型检验,表明此检验方法是完全可行的。实际加工完成后,用4D干涉仪检测镜面的面形精度达到RMS=0.0183λ优于λ/50(λ=632.8nm)。     

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)。     

凸非球面加工

凸非球面加工一直是很困难的。本文从三级像差理论出发,对以前凸非球面加工方法作一简单描述,对目前采用新方法进行详细的讨论,并给出加工凸非球面的实例。     

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.     

用计算全息法检测大口径凸非球面的研究

针对大口径的凸非球面零件使用特殊材料(如采用碳化硅)时无法用传统的背部检验方法的难题，初步研究了计算全息法检测凸非球面的原理和方法。所研究的凸曲面为一扁球面，口径为100mm，通过设计得出了相应的结果，实现了新型光学元件——二元光学面在凸曲面检验中的应用。     

有限距离的凸非球面的透镜补偿检验方法

在用刀口检验凸双曲面反射镜时,一般采用传统的Hindle球检测法,但是在许多仪器中,需要曲面反射镜全口径使用,因此,Hindle球检测法是不合适的。此外,在很多情况下,刀口到待检非球面的距离很长,从而降低了刀口检验精度。为了解决这些问题,结合口径Φ=120mm的凸双曲面的检测,在分析了传统检验方法的基础上,提出了有限距离球面波入射的凸非球面透射补偿检验方法。从设计结果上看,它缩短了刀口到待检非球面的距离,获得高精度补偿。实践表明,这种方法不仅能够提高加工效率,而且提高了加工精度,实际加工完成后,这块凸双曲面的RMS值达到了λ/60。     

非球面零检验的反射式Offner补偿器设计

根据三级像差理论，推导反射式Offner补偿器在检验光路中的初始结构参数计算公式，讨论计算机最佳化设计方法，并给出设计实例。     

使用环形子孔径拼接检测大口径非球面镜

针对高精度大口径非球面镜通常存在定量检验方法(补偿器法、全息法、自准直法)所需要的辅助元件制造困难、成本高这两个主要难点,利用不同曲率半径的参考球面波前来匹配被测非球面表面不同的环带区域,使它们之间的偏离量减小到在小口径干涉仪的测量范围内,每次测量仅是被测表面的一部分,通过算法"拼接"可得到全孔径的面形信息。给出了其拼接数学模型、参量求解方法及其精度评定判据。仿真分析表明,该技术是切实可行的,算法具有较高的拼接精度。该方法无需辅助光学元件就可实现对大口径、大相对口径非球面的直接测量,且具有很宽的适用范围。     

大口径超长焦距紧凑型光学系统设计

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求,提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论,创建了同轴四反射镜系统的初始结构,通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化,系统口径1 800 mm,有效焦距25 000 mm,全视场角1°×0.1°。设计结果表明,系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm),全视场相对畸变小于0.4%,光学筒长仅为有效焦距的1/10,结构简单紧凑,像质接近衍射极限,对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。     

长焦距大视场折反射系统的光学设计

本文介绍了两种折反射系统的最新设计结果。焦距f′=1.25m,相对孔径D/f′=1/3.5,视场2w=9°。在全视场内,弥散斑的80％能量集中在半径小于5μm的圆内。     

大口径凸非球面反射镜的拼接检测算法研究

大口径凸非球面子孔径拼接干涉检测中的各子孔径之间为离轴形式,各子孔径之间除了平移和倾斜变换外,还含有旋转变换,测量结果中不可避免地会出现参考面未对准的情况,当进行数据拟合处理时,需要把由未对准造成的误差去除。本文在平面检测的最小二乘拟合基础上,对拟合算法进行了改进,从而实现了离轴子孔径的拼接检测拟合。为了验证算法的有效性,采用Matlab对口径为1m的大口径凸非球面的子孔径拼接检测的拟合过程进行了仿真实验,实验结果表明,离轴式大口径凸非球面干涉检测的子孔径拼接可采用改进后的最小二乘法拟合而成,且拟合精度可达到0.0048λ。     

大口径凸非球面反射镜的检测方法

大型凸非球面的传统检测方法使用的是背部检验。当零件需使用特殊材料(如采用碳化硅)时就无法再使用传统的背部检验方法,针对此问题,初步研究了检测凸非球面的可行性原理和方法。所研究的凸曲面为一椭球面,口径为120mm,通过设计得出了相应的结果,实现了新型光学元件,即二元光学在凸曲面检验中的应用。     

大口径望远镜波像差的外场检验方法

为在外场环境下对大口径望远镜进行系统波像差的检验,研制了一套具有高探测能力的Shack-Hartmann波前传感器.利用恒星作为光源,对口径1 m、焦距11 m的大口径望远镜进行了波像差检验实验,测量结果为系统波像差在0.39λ~ 0.46λ RMS之间,且随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为3阶0°像散,与星点检验的结果一致.     

透射凸二次非球面检验方法的研究

透射凸二次非球面具有自消球差的能力。只要像距、物距、材料的折射率及二次曲面系数之间满足一定的条件 ,则物点与像点就具有消球差的成像关系。研究了二次非球面系数e2 值与成像放大率 β 的关系 ,目的在于为透射凸二次非球面的检验找到普遍适用的范围。实例计算和实际的应用表明 ,对于中小口径的凸非球面来说 ,透射补偿法是比较实用的检验方法 ,特别是此种方法可以检验一些凸的扁球面。     

大相对口径轻量化卡塞格林系统主镜的加工检验

介绍了卡塞格林系统的焦距为6000 mm,系统的相对口径为1/10,主镜的口径为600 mm,主镜相对口径为1/1.2,主镜的材料是微晶玻璃,背面打有盲孔,质量为原来的50%.由于主镜的相对口径比较大,而且经过轻量化,因此加工难度比较大,在加工过程中在传统方法的基础上对工艺加以改进,采用三点扩九点的支撑方法和四点夹持的方法,最终将主镜加工到了很高的精度.主次镜组合系统的弥散圆直径小于0.02 mm,用干涉仪检验卡塞格林系统主镜的峰值(PV)为1.23λ,均方根(RMS)为0.18λ.     

深紫外大口径非球面反射膜的均匀性研究

膜厚均匀性作为高精度光学薄膜的重要参数,对光学薄膜的性能起到至关重要的作用,特别是大尺寸高精度反射膜,对膜厚均匀性的要求极高。本文通过研究蒸发源的发射特性与膜厚分布,结合Mathcad软件建立精准数学及物理模型,编写自动程序,模拟修正挡板形状,极大地提高了薄膜制备均匀性修正的效率与准确性。通过该方法,在公自转行星蒸发沉积设备上制备了直径为320 mm的非球面深紫外反射镜,在紫外(240～300 nm)波段平均反射率大于97.5%,均匀性优于0.5%。本研究对大口径非球面薄膜的均匀性修正提供了理论基础与技术支撑。     

大口径光学平面的子孔径拼接检验研究

研究了检测大口径光学平面的子孔径拼接法。通过采用最小二乘法对相邻两个子孔径重叠区域的数据进行分析,获得了子孔径之间的拼接参量,得到了被检验镜面的整体面形信息。编制了拼接检验的计算程序,并完成了原理性实验。采用一台口径为100mm的移相干涉仪检测了两个样品,给出了拼接检测与全口径检测的对比结果。样品的口径分别为100mm和91mm。对比检测结果表明,拼接检测与直接检测两种方法的RMS之差小于5nm。