Ф1．2mF／1．5抛物面主镜补偿器

用于Ф1．2mF／1．5主镜面形检验的补偿器,需要补偿0．087mm的非球面度,并满足0．033λ（RMS）面形检测要求。介绍了该补偿器的设计、误差分析、加工、标校及最终主镜检测的情况。主镜检测前用计算全息（CGH）对补偿器标校显示：补偿器产生的抛物面面形误差为0．012λ（RMS）,二次曲面常数K的误差为0．0064％;主镜最终补偿检测结果为：面形误差0．027λ（RMS）,二次曲面常数K的误差为0．0306％,与分析的结果相符。结果表明,补偿器设计合理,建立的误差分析原则和方法可行,加工质量可靠,为更大口径高陡度非球面主镜的补偿检验奠定了坚实基础。     

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.     

大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验技术

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,经过方案比较优选,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：0.0082,RMS：0.0029（=0.6328nm）,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,采用该方法进行检验凸非球面反射镜最终检测结果为0.022（RMS）本文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铺平了道路。     

离轴二次非球面补偿检验计算机辅助调整技术研究

分析了非球面补偿检验过程中由补偿器和镜面支撑结构的失调引入的调整量误差,给出了计算机辅助调整方法。建立了离轴二次非球面补偿检验计算机辅助调整系统的物理数学模型,求解了被检非球面镜的失调方位和量值,利用计算机控制调整架实现了系统辅助调整。建立了实验装置,给出了模拟调整和实际调整结果。经过计算机辅助调整后,被检离轴二次非球面的最终检验结果为0.028λ(RMS)(λ=632.8 nm)。     

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。     

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。     

Offner补偿器的结构设计与装调分析

90nm节点光刻投影镜头中使用的非球面都存在高次项,而且对理想球面的偏离量较大。本文设计了一种基于三片式结构的Offner补偿器,实现了对高次非球面面形的高精度检测。采用等量轴向球差补偿非球面各阶系数的方法,主动引入一定量的轴向球差,补偿光线在非球面法线方向的偏离量,结果表明：对初级像差和高级像差很好的平衡,使剩余像差很小;MTF 远远超过衍射极限,系统工作波长为632.8nm,F数达到1.64,均方波差RMS<λ/1250。满足了高精度检测补偿器的设计要求。最后根据现有的检测装置的精度对所设计的结构进行了公差分析,给出了较宽松的公差容限。     

一种大数值孔径小非球面检测用补偿器设计

利用补偿器的补偿法是检测高精度非球面的一种非常重要的方法,它可以利用已广泛实用的Zygo等高精度的数字干涉仪,用补偿法的关键是补偿器的设计.本文介绍了补偿法检测非球面的原理,针对要检测一种大数值孔径小非球面模芯,设计了一种由4片薄球面透镜组成的补偿器,该补偿器由前后两部分组成,前面两片组成一个数值孔径很小的系统,主要用于产生适量的球差,后组两片组成一个数值孔径较大的系统,并与前面的一起满足被测非球面检测的需要.文中对制造、检测及装调等主要误差源引起误差进行了全面分析.用这种补偿器检测相应的非球面,检测精度可达0.05λ,可满足光盘物镜非球面模芯的检测需要.     

Offner补偿器的结构设计与装调

针对90nm节点光刻投影镜头中使用的非球面存在高次项,且与理想球面偏离量较大的特点,基于像差补偿理论,设计了一种三片式结构的Offner补偿器来实现非球面的高精度检测。采用等量轴向球差补偿非球面各阶系数的方法,主动引入一定量的轴向球差,补偿光线在非球面法线方向的偏离量。结果表明,初级像差和高级像差可很好地平衡,使剩余像差很小;MTF远远超过衍射极限;系统工作波长为632.8nm,F数为1.64,均方波差RMSλ/1250;系统轴向像差0.47μm,满足基本干涉成像条件;各方面指标均满足高精度检测补偿器的设计要求。最后,根据现有检测装置的精度对所设计的结果进行了公差分析,给出了较宽松的公差容限。公差分配后,系统综合残余波像差0.00727λ,满足系统装调精度要求。     

Ф124mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

介绍了碳化硅质光学镜面的光学加工流程和加工手段，分析了碳化硅光学镜面的光学加工过程各个步骤中所应用的磨料和加工方法。利用自主研制的非球面数控加工中心，探索一种新型轮式研磨抛光技术，解决了中小口径非球面元件的数控加工问题，形成比较规范的中小口径碳化硅非球面元件加工方法，并应用到Ф124mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工中，工件最终加工精度为第一面：0．761λ（PV）、0．059λ（RMS）（λ=0．6328μm）；第二面：0．834λ（PV）、0．089λ（RMS）（λ=0．6328μm），满足了设计要求。     

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。     

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜.研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件.为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8 nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ.对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性.     

用校正法提高补偿器检测法的精度

研究了一种测量、分离补偿法检测补偿器非圆对称误差的技术,这种技术基于波面误差可用泽尼克圆多项式来表述。通过使补偿器或被测非球面绕系统光轴旋转到多个不同的角度,得到多个测量结果,根据这些测量结果,计算得到由补偿器误差带来的波面误差的非圆对称项泽尼克圆多项式系数,接着根据这些非圆对称项泽尼克圆多项式系数制作一个校正文件对非球面的测量结果进行校正,利用该技术可有效减轻对补偿器材料、加工及装校的苛刻要求,提高测量精度。实验结果表明:对某一被测非球面不用该技术时测量结果为0.105 λ(RMS),应用此技术后的测量结果为0.026 λ(RMS),且被测面在几个任意不同角度时的测量结果相差只有0.001 λ(RMS),效果很好。该技术已被应用到实际的双曲面凸面反射镜的测量中。     

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.     

临近空间816mm口径望远镜复合支撑主镜组件设计

针对某临近空间望远镜高面形精度和0°~65°观测角度的要求,设计了816 mm口径的SiC主镜组件。依据经验公式和拓扑优化方法,完成了主镜的设计,基于大口径反射镜复合支撑原理、功能分配和指标分配以及解耦标准设计了主镜支撑组件,最后根据支撑结构形式和装配公差要求设计了主镜组件装配工装并制定了装配工艺流程。对主镜组件进行了静力学和动力学仿真验证,然后对主镜组件进行振动、面形检测和倾角等试验验证。试验结果表明,主镜组件在光轴水平,1 g重力作用下面形精度RMS值为0.019λ(λ=632.8 nm),反射镜翻转180°后的面形RMS为0.02λ;总质量为102.7 kg,基频为171 Hz,振动前后RMS值基本不变,与分析结果吻合。证明该主镜组件的设计与装调工艺的合理性,满足临近空间望远镜的设计要求。     

干涉法实时测量浅度非球面技术

提出了一种干涉实时检测非球面的新方法,该方法无需补偿器,CHG等辅助元件就能实现对浅度非球面的测量。对非球面度较小的非球面,直接利用标准球面镜作为参考表面,通过数字干涉仪可以测得全孔径位相分布,将所得的数据剔除参考球面波相对理论非球面的偏差,并运用最小二乘拟合求得机构定位误差,消去此误差,从而能够获得真实的面形信息。利用该方法对一口径为350mm的浅度双曲面进行了测量,通过数据分析和处理得到面形误差的PV值和RMS值分别为0.387λ 和 0.048λ ( =632.8nm)。并将该结果与零位补偿的检测结果相比较,两面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.033λ 和 0.006λ 。说明该技术对检测浅度非球面是切实可行的。     

可见光粗跟踪成像镜头光机结构设计

为某在研地基光学望远镜设备设计了300 mm口径的可见光粗跟踪成像镜头的光机结构。采用弯月形结构优化使主镜重量减少了41.2%。针对传统胶粘接固定结构的不足提出了采用弹性压紧方式的主镜支撑结构,采用Patran有限元仿真软件对不同倾角、不同温度状态下,带支撑的主镜面形精度进行了分析;制定了装调方案,室内采用Zygo干涉仪检测带支撑的主镜面形精度检测结果为0.04λ(RMS),可见光波长λ的设计参考值为0.633μm,长焦端和短焦端的系统波像差均为0.132λ(RMS);室内采用平行光管进行星点检验、分辨率检验和外场对北极星成像试验结果显示,系统成像质量满足设备要求;验证了主镜支撑结构和镜头光机结构设计的合理性,为研制同类型镜头的光机结构提供了设计依据和技术途径。     

1.5m口径空间相机主镜组件的结构设计

研究了1.5m口径空间相机反射镜组件的结构,设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料,分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数,得到了重131.9kg,轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上,设计了主镜支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后,利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明:主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8nm),(20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内,主镜组件一阶固有频率为95.8Hz,有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。     

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.     

光电跟踪系统Φ1000mm主镜的装调

1 000mm口径主镜的光机装调质量直接影响望远镜光学系统的成像效果。为了改善大口径光电跟踪系统的成像质量,本文对主镜的装调技术进行了研究。首先,对影响主镜面形精度的误差进行分配;其次,结合具体的主镜支撑结构的形式,采用典型装调方法对800mm口径主镜进行详细的装调研究,实时测得主镜的面形精度;最后,综合分析产生装调误差的来源,提出了一种加工、检测、装调一体化的高精度装调方法。该方法使得1 000mm主镜在装调后的面形精度波像差RMS值达到了λ/40,在提高装调质量的情况下显著提高了装调效率。