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。     

大口径光学望远镜拼接镜面关键技术综述

随着天文探测的不断发展,望远镜的口径越来越大,拼接镜面技术为大口径望远镜主镜的设计提供了一种比单镜面形式更简单可行的替代方案,现已成为大口径望远镜主镜设计的重要途径。本文以詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和三十米望远镜(TMT)等典型拼接式望远镜的主镜设计为参考,总结了当前拼接镜面技术的发展现状;并阐述了在大规模子镜背景下,不同子镜拼接方案的性能差异,以及镜面支撑技术和共相检测技术的未来发展趋势,希望可以为我国下一代极大口径光学望远镜的自主研制提供参考。     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

薄镜面主动光学对光学像差的校正能力分析

建立了薄镜面主动光学的仿真模型,并进行了仿真分析,结果表明薄镜面主动光学可以对低频误差完成较好的校正.为了进一步验证,建立了一套薄镜面主动光学实验系统,开展了薄镜面主动光学实验.结果表明,通过主动光学校正可以把镜面面形校正到磨制时的面形即λ/10.同时发现,薄镜面主动光学对三阶像散和三阶球差的校正能力最好,三叶彗差的校正能力也较好,而三阶彗差最难校正,这对于磨制大型薄镜面具有一定的指导意义.     

薄镜面主动光学对光学像差的校正能力分析

建立了薄镜面主动光学的仿真模型,并进行了仿真分析,结果表明薄镜面主动光学可以对低频误差完成较好的校正.为了进一步验证,建立了一套薄镜面主动光学实验系统,开展了薄镜面主动光学实验.结果表明,通过主动光学校正可以把镜面面形校正到磨制时的面形即λ/10.同时发现,薄镜面主动光学对三阶像散和三阶球差的校正能力最好,三叶彗差的校正能力也较好,而三阶彗差最难校正,这对于磨制大型薄镜面具有一定的指导意义.     

稀疏子孔径采样检测大口径光学器件

针对大口径光学器件在抛光加工过程中子孔径拼接检测效率低的问题,提出并分析了用稀疏子孔径采样法对大口径光学器件抛光加工过程进行过程检测。通过软件仿真分析稀疏子孔径不同的采样分布,并拟合出不同采样分布的全口径面形,与实际测得全口径面形进行比较。结果表明：当稀疏子孔径采样分布合理时,稀疏子孔径采样检测法检测出的全口径面形与实际测量的全口径面形相当,所以稀疏子孔径采样检测法可以在抛光过程中进行检测,从而提高检测效率。     

大口径永磁体法拉第旋光器

报道了一种通光孔径40mm的永磁体大口径法拉第旋光器,其外型尺寸为154mm×154mm×240mm,重量约为30kg.测量结果表明在法拉第旋光器的有效通光面内,光偏振面旋转角的径向分布均匀性优于±3°.提出了通过改变通光面中心处的预置光旋转角来改善法拉第光隔离器的积分透过率及积分光隔离度,并给出了光隔离器积分透过率及积分隔离度与对称中心预置角的关系曲线.     

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,...     

摆臂式三点光学镜面支撑系统的研究

提出了一种摆臂式三点光学镜面支撑系统,分析了其结构原理和工作性能,给出了实现的方法和制造工艺。该支撑系统具有结构简单、刚度恒定以及无附加温度应力等特点,可用于中小型光学镜面和光学元件的支撑,特别适用于空间仪器的光学加工领域。     

大口径元件反射率的镜面扫描精密测量系统

 为了测量高功率激光传输系统中大口径高反射率元件,研制了一种镜面扫描的精密测量系统。介绍了该系统的结构及其工作原理,分析了影响系统测量精度的因素,理论上估算的测量精度为2×10^-5。在直腔下对该系统的性能进行了实验测试,分析表明,系统的测量不确定度优于2.052 28×10^-5,最大测量误差为3.554 04×10^-5,与理论预计结果吻合较好。对大口径元件进行的多次实验扫描测试,结果显示,镀膜加工误差导致反射率分布是关于镜面中心呈旋转对称。该系统的使用大大简化了元件表面反射率分布的测量。     

大型光学镜面的多点支撑方案分析

在大型光学系统中使用薄型镜面以减轻大口径光学镜面的重量，但由于薄镜面在重力作用下形变严重，需要选择适当的支撑方式来维持光学镜面的面形。通过对支撑方式的分析，采用有限元仿真，讨论了支撑点分布方式、支撑分布位置和支撑点数三方面对镜面形变的影响，从而得出支撑点均匀分布优于非均匀分布；支撑点数一定时，镜面形变主要由支撑点位置决定；10个支撑点以上镜面形变相对较小，继续增加支撑点并不能使镜面最大形变得到显著改善同时会引起镜面波纹起伏增加。     

望远镜主镜气压力驱动器设计

为了获取优异的光学图像质量,大口径天文望远镜通常采用主动支撑结构以校正主镜面形误差。对望远镜主镜支撑系统所需的气压驱动器进行了研究。基于气动原理设计了一种采用滚动膜片结构的气压力驱动器,其中滚动膜片结构用于消除摩擦力的影响,滚珠式力解耦器用于消除侧向力、弯矩的影响。进一步设计了针对气压驱动器带死区的比例-积分-微分(PID)控制算法,以实现对气压驱动器的闭环控制。实验结果表明:气压力驱动器可精确提供主镜控制所需的支撑力,在望远镜高角变化速度达到2°/s时,输出支撑力范围为0～1000N,驱动器支撑力误差仅为满量程的±0.4%。设计的气压驱动器可实现主动支撑力的快速精确输出,能满足天文望远镜主镜主动支撑需求。     

主动光学技术在制造标准大反射镜中的应用

介绍了利用主动光学技术校正大型标准反射镜残余面形误差和重力变形的方法 ,研制了用于施加局部作用力的工具———机械式作动器的结构与性能 ,作用力的测定方法 ;位于不同位置的作用力引起的镜面变形量的测定与分析 ,与镜面最小面形误差对应的作动器作用力控制矩阵的求解等。对一块Φ2 30mm、中心厚 18mm、R880mm、玻璃材料为K 9的标准球面镜进行了面形误差校正实验 ,取得了较明显的校正效果。     

Piano-Convex Solid Immersion Mirror with a Small Aperture for Near-field Optical Data Storage

We proposed and developed a new solid immersion mirror (SIM) for near-field optical data storage. The SIM has some advantages, especially in manufacturing, because its shape is similar to a general plano-convex lens. Making an aperture of about 130 nm in diameter just on the focus area of the SIM, a bit-data recording onto a photochromic thin film was carried out. Minimum diameter of the written marks was estimated to be 180nm. We also demonstrated readout experiments where a recorded medium was rotating and a gap between the SIM and the disk was controlled with capacitance sensing. This is the first result of reading with a rotating disk using an SIM containing a small aperture.This paper was originally presented at the 10th Optical Near Field Workshop, which was held on June 27-28, 2001 at Osaka University, organized by the Optical Near Field Group, the Optical Society of Japan, an affiliate of the Japan Society of Applied Physics.     

主动光学薄镜支撑及驱动研究

随着光学遥感器分辨能力的不断提高和口径的不断增大,导致遥感器的重量越来越重,使得载体无法承受.针对此问题,提出了对薄反射镜进行主动支撑的方式,以解决口径大、重量重的问题.利用有限元分析和数学理论相结合的方法在对反射镜施加垂直镜面1g加速度(g=9.80665m/s2为重力加速度)和10℃的温升载荷情况下,对薄反射镜的位...     

子孔径合成光学成像系统像质评价研究

由于子孔径合成光学成像系统出瞳波前离散,成像特征有异于常规光学系统.对比了两种子孔径合成光学成像系统的像质评价方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参量,拟合成泽尼克多项式,通过快速傅里叶变换获得光学系统的调制传递函数;其二是对子出瞳波面在像面复振幅分布的衍射直接积分叠加计算系统调制传递函数.对于离散出瞳波前,拟合的泽尼克多项式不可避免有较大误差,由此计算获得的调制传递函数与实际测量值有较大区别.设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPI干涉仪验证并对比了使用两种方法对像质计算的特点.结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大,且要获得更高的像质评价精度,应使用更适于表达离散不规则形状子出瞳波前的波函数.     

Zone Plate Common Path Interferometer for Testing Aspherical Mirror with Large Aperture

A new CGH (computer generated hologram) common path interferometer, which can be used for testing an aspherical mirror with large aperture, is proposed. This interferometer does not have a circle of least confusion, and a spatial filter can be used effectively to stop extraneous lights so that interferograms with good contrast can be obtained. The phase shifting technique can be easily applied to the interferometer. The method of designing and making the CGH zone-plate is described.     

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.     

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.     

空间SiC反射镜背部中心支撑特性

基于特定的轻量化形式和支撑结构,采用有限元方法研究了口径为500mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响,确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23,指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状,当重力沿径向作用时,增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明,柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素,要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求;背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小,且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感;支撑长度主要影响结构的动态刚度,减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750mm,对口径小于750mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.