Ф420mm高次非球面透镜的加工与检测

介绍了Ф420mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化,通过分工序加工方式,依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时,考虑透镜的凹面为球面,利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测,剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后,透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS;针对透镜的凸面为高次非球面,采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测,其精度达到0.013λ-RMS。最后,采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测,得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明,非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.     

表面改性非球面碳化硅反射镜的加工

为了获得高质量光学表面的非球面碳化硅(SiC)反射镜,对碳化硅反射镜表面改性技术以及离子束辅助沉积(IBAD)Si改性后的非球面碳化硅反射镜的加工技术进行研究。首先,简要介绍了碳化硅反射镜表面改性技术以及本文所采用的离子束辅助沉积(IBAD)Si的改性方法。然后,通过采用氧化铈、氧化铝以及二氧化硅等各种抛光液对离子束辅助沉积(IBAD)Si的碳化硅样片进行抛光试验。试验结果表明氧化铈抛光液的抛光效率较高,使用二氧化硅抛光液抛光后的样片表面质量最好。最后,在上述实验的基础上,采用计算机控制光学表面成型（CCOS）技术对尺寸为650mm×200mm的表面改性离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜进行加工,最终的检测结果表明离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）优于λ/50（λ=0.6328μm）,表面粗糙度优于1nm（Rq值）,满足设计技术指标的要求。     

两种利用计算全息检测非球面的方法

计算全息检测非球面具有广泛的应用潜力。但在一般情况下,检测的非球面波差范围是有限的。本文提供和验证了两种扩大计算全息检测能力的方法,其一是计算全息和零位光学系统组合补偿的检测法;其二是象差平衡法制作计算全息图的检测法。此两法把检测非球面波差范围扩大几倍直至近百个λ的波差。所用的线型计算全息图能方便地再现位相型波面。实验证实了这两种方法是可行的。精度分析表明,检测非球面面形偏差时,精度可达λ/10。     

矩形离轴非球面反射镜的数控加工

针对离轴TMA结构空间相机中使用的两块离轴非球面反射镜的加工过程,提出了一种新型的矩形离轴非球面的最接近球面半径的求解及其优化方法,并且开发了基于计算机虚拟加工技术的CCOS工艺参数计算方法.被加工工件分别为165mm×100mm的矩形凸面离轴非球面和770mm×200mm的矩形轻量化凹面离轴非球面,设计精度分别为任意100mm,200mm子孔径面形精度优于0.025λRMS(λ=632.8nm).经检验,工件的加工精度满足了设计要求,分别达到了0.023λRMS和0.013λRMS.     

应用旋转法实现大口径非球面反射镜零重力面形加工

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工,建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍,并结合一块Ф1 290mm ULE材料的非球面反射镜加工实例,分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法,实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1mm。然后,在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理,主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS;同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大,进行了针对性去除,面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后,采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工,反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS,去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS,该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径,还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。     

大口径非球面系统的共基准加工与检验

针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点,提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法,对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8nm)时,对主镜和第三镜进行共基准装调和测试,并进行背板一体化装嵌,然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例,对一大口径非球面系统口径为724mm×247mm的非球面主镜和口径为632mm×205mm的第三镜进行了共基准加工与检测,最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ,满足光学成像。     

大口径碳化硅材料凸非球面反射镜的检验

为了实现某大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验,研究了无像差点法以及补偿检验法方案.经过比较优选,确定选用补偿检验方案并专门设计了高精度大口径非球面补偿器,设计精度为PV:0.008 2λ,RMS:0.002 9λ(λ=632.8nm).采用会聚光束,使用大口径数字干涉仪进行凸非球面正面检测,最终检测结果为0.022λ(RMS).所述补偿器的设计方法和要求具有普遍性,设计结果也可用于同类型大口径凸非球面检验用补偿器的设计.采用该方法提高了凸非球面检测精度,并且在凸非球面镜的材料选择、结构设计、支撑方式等方面提供了更多的优化空间,为新型光学材料在凸非球面反射镜的应用奠定了基础.     

Manufacture of SiC off-axis aspheric mirrors by double-swing method

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺.介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响.建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较.给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性.应用双摆动技术加工了一个224 mm× 108 mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633 nm).因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展.     

应用双摆动技术加工离轴碳化硅反射镜

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺。介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响。建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较。给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性。应用双摆动技术加工了一个224mm×108mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633nm)。因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展。     

精研磨阶段非球面面形接触式测量误差补偿技术

在对高精度非球面光学元件进行磁流变抛光制造过程中,为了提高达到最终要求的15～30 nm(方均根值)光学级面形精度的加工效率,必须经过非球面面形快速修正的精研磨过程。针对精研磨阶段的面形误差数字化技术进行了深入分析,建立了分离影响误差收敛精度的线性误差矩阵,并借助于一块具有中心遮拦孔的同轴抛物面反射镜进行验证,结果表明所建立的倾斜误差分离矩阵对于指导非球面研磨阶段的面形检测具有明确的效果,能够提供该阶段待检测工件面形的准确信息,保证了研磨阶段检测与加工的密切衔接,缩短了进入光学抛光阶段的周期。     

用补偿器测量非球面的研究

重点讨论用零补偿器测量光学非球面表面面形精度的方法,并通过补偿器的光学设计,具体分析了各参数要素对测量精度的影响,最后给出在非球面数控加工不同阶段中对直径500mm,ƒ/2的双曲面主镜的检测结果。     

利用曲面计算全息图进行非球面检测

研究了利用曲面计算全息图进行非球面检测.分析了曲面计算全息图的衍射特性,给出了曲面计算全息图与传统检测方法相结合检测凹非球面和凸非球面的原理及特点,并进行了具体设计.利用激光直接写入设备,在口径为110mm、曲率半径为504mm的曲面基底上制作出了计算全息图,并对金刚石车床车削的凸面非球面进行了检测.利用两步测量法解决了凸非球面的中心部位难以检测的难题,同时利用旋转相减法消除了调节误差,非球面的面形精度为234nm(P-V),与金刚石车床的精度相符.     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。     

A unique machine for grinding large, off-axis optical components: the OAGM 2500

Design trends in the large optics field have progressed towards systems incorporating large, off-axis aspheric optical elements. These segments may be used in groups to form a single large parent optical surface. Segmented systems are necessary when the mirror size requirements exceed the capacity to produce a monolithic mirror blank. Segmented mirrors also have applications in space, where it is possible to launch a folded mirror array which can be deployed to provide a reflector larger than the diameter of the launch vehicle.

The OAGM 2500 has been designed by Cranfield Precision Engineering to generate and measure off-axis elements prior to final polishing. This machine, together with a Neutral Ion Beam Figuring System, will provide Eastman Kodak Company with processes which are highly deterministic yielding rapid, cost efficient fabrication of large complex optical components.

The resulting design has led to the manufacture of a machine weighing 130 tons, with a component capacity of 2.5 m × 2.5 m × 0.6 m and overall dimensions 8 m × 6 m × 5 m. Advanced three-axis CNC control for grinding and in situ metrology combined with a multiple path laser interferometer system and metrology frame, is incorporated to achieve the required component accuracy.     

大口径SiC离轴非球面的高效磨削加工

研究了空间遥感器用大口径SiC离轴非球面的超声复合磨削加工工艺。分别对磨削原理、金刚石砂轮结合剂选择、机床选取、磨削参数设定等进行了分析,并设计和规划了磨削工艺流程。基于逆向工程原理建立了高精度离轴非球面模型,创立了激光跟踪仪精磨阶段在线测量大口径离轴非球面的工艺。结合工程实践对一口径为700mm×700mm的SiC高次离轴非球面元件进行了逆向工程建模和超声磨削加工试验,并利用激光跟踪仪进行了在线检测。经过3个周期(每个周期4h)的修磨,其面形精度PV值和RMS值分别由45.986μm和7.949μm收敛至12.181μm和2.131μm;与三坐标测试结果进行对比,其PV值和RMS值的偏差分别为0.892 3μm和0.312 8μm。实验显示,提出的磨削工艺实现了大口径SiC离轴非球面的快速精确磨削,其加工精度、效率以及表面质量都有了很大的提高。