面形误差

摘要： 针对五棱镜面形误差引起出射光线转向角误差,进而影响空间光电跟瞄系统多光轴标校精度的问题,提出了一种研究五棱镜面形误差对出射光线转向角影响的新方法.首先,在五棱镜不规则度较小的前提下,利用最佳拟合球面矢高适当简化了五棱镜的工作面模型,推导出了出射光线转向角计算公式,并将影响出射光线转向角误差的因素限定在了6个非独立随机变量的共同作用上.然后,结合五棱镜的典型应用场景,提出了一种降维分析方法,去除了6个变量间的相互关联,推导出了降维后的转向角误差计算公式.计算结果表明,该公式计算主截面方向和垂直于主截面方向上转向角误差的最大相对误差分别仅为2.14％和0.31％,完全符合精度分析要求.最后,通过试验对五棱镜进行了技术测试,结果表明:主截面方向和垂直于主截面方向上转向角误差的试验测试平均值与降维公式计算结果的偏差分别在±0.25″和±0.15″以内,这是完全可以接受的.因此,提出的简化模型以及降维分析方法均是可行的,为五棱镜面形误差的相关研究提供了一种新的研究思路与分析方法.

摘要： 第4代同步辐射光源及自由电子激光装置中束线光学系统对光学元件性能提出了苛刻的要求.使用压电变形镜是实现超高面形精度调控和实施波前补偿的有效途径,也是目前亟需突破的国产化技术瓶颈.针对这一问题,研制了长度为200 mm、含36个单元压电促动器的压电变形镜.通过数值模拟优化了变形镜结构参数,利用国产工艺完成了变形镜样机的制作,并对其面形调控能力进行初步探究.测试结果表明:所研制变形镜样机的平面面形误差可降低至1.38 nm(rms),斜率误差降低至240 nrad(rms),实现了平面面形的nm级调控.

摘要： 激光通信大口径地面光端机的主要作用是与卫星建立通信链路,实现卫星与地面站之间的数据传输.某激光通信车载地面光端机600 mm主镜采用微晶材料,重量较大且工作角度不断发生变化.为保证镜面变形精度,该主镜在采用轴向背部9点支撑的基础之上,需同时采用径向支撑结构平衡主镜在其工作角度下重力的径向分力.本文根据主镜工作角度变化,针对传统多点径向支撑结构尺寸大并易造成应力集中等问题,为平衡主镜径向重力分量,减小径向支撑结构尺寸,设计了中心轴与水银带相结合的径向支撑方案,采用有限元分析方法得出水银带参数对主镜面形的影响,优化了支撑参数并设计了支撑结构.主镜面形测试结果表明,采用本文提出的径向支撑结构后,主镜面形达到了预期效果,面形PV值优于λ/5,RMS值优于λ/37,完全满足设计要求.

摘要： 针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化.主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究.反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74％.设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿.建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正.最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求.

摘要： 针对新设计的等截面反射镜椭圆压弯机构在固定物距(即反射镜在光路中位置不变)的情况下,研究了实现大范围像距调整(即样品位置发生改变)时镜面面形误差等问题.通过理论分析并借助有限元分析软件计算等截面平面镜压弯至不同(反射点处像距不同)椭圆柱面时的理论斜率误差,最后对椭圆压弯机构样机进行了实际压弯测试.实验结果与计算分析均表明:保持物距、掠入射角不变,压弯镜面与理想椭圆柱面之间的斜率误差会随着像距的减小而增大,并且像距越小,镜面斜率误差的增加速度越大.实验测得在反射镜面初始斜率误差为0.397 μrad的情况下,全部像距范围(21.5～3.8 m)内压弯镜面的实际斜率误差在0.402～0.560 μrad之间,重复精度为0.051 μrad,均满足上海光源光束线的设计要求.本文研究证明了使用等截面反射镜压弯机构进行椭圆柱面压弯可以实现聚焦镜工作像距在大范围内的连续调节.

摘要： 反射镜是自由电子激光光束线中的重要光学元件,反射镜自重引起的面形误差会严重影响光束线的成像质量.为减小自重引起的面形误差,基于Bessel点理论提出了重力补偿方案,并设计了无应力夹持装置,利用有限元软件对该装置进行仿真分析.以尺寸为440 mm×50 mm×50 mm的反射镜为例进行分析,传统支撑方式下反射镜下表面面形误差为1.647 μrad,采用本文提出的夹持方案后面形误差降至0.085 7 μrad,优于工程指标0.1 μrad.为防止反射镜在工作模式切换时发生窜动,可对反射镜添加不超过2 N的微小夹持力,此时反射镜的面形误差为0.093 9 μrad.此外,还对装置进行了动力学分析,结果显示:该设计方案可有效防止装置存在较低的固有频率,在使用过程中不会产生共振现象,满足光束线的使用需求.

摘要： 正在建设中的上海软X射线自由电子激光(Self-amplified Spontaneous Emission,SASE)光束线—活细胞成像光束线,能量范围100～1000 eV,束线主要设备包括前端区、插入件、偏转平面镜PM1、诊断光栅PM2、单色器、压弯镜、KB镜(Kirkpatrick-Baez)和椭球镜等.分为两条支线,其中北支线的KB镜组由一个平面镜和两个椭圆柱面镜构成,主要应用于生物细胞成像实验站.实际光学元件在加工过程中会存在一定的面形误差,面形误差是衡量光学元件表面质量的重要指标.自由电子激光光束线系统中,要求镜子表面具有高精度和高可靠度,镜子的面形和高度误差相关联,会影响光束的相干性和波前,进而影响最终的光斑.为了准确研究面形误差对X光经过光束线传播后相干性和波前变化的影响,使用软件SHADOW和SRW对北支线X光的传播进行模拟.模拟结果表明:平面镜面形误差控制在0.1～0.2μrad,同时椭圆柱面镜控制在0.4μrad以内,聚焦光斑尺寸在4μm以内,可满足生物成像实验站成像需求.该结果为软X射线自由电子激光的优化设计提供了参考和依据.

摘要： 目的为解决光学元件表面进行离子束抛光加工过程中存在边缘效应的问题。方法采用将驻留时间网格在面形采样网格的基础上进行延拓的方法来抑制边缘效应的产生,即将驻留点的网格范围向外进行延拓,使元件边缘部分的采样点中有去除作用的驻留点的数量与中间部分相同,延拓距离大于离子束半径。使用截断奇异值方法求解线性方程组模型的驻留时间,分析仿真结果中边缘效应出现的原因。结果当驻留时间采用和面形误差同样的网格划分时,残留面形不收敛,且发生严重的边缘效应。当取截断参数k=80时,其面形PV值由初始的104.489 nm下降到11.675 nm,RMS值由28.009 nm收敛到1.572 nm,且没有边缘效应的产生。采用上述模拟结果作为实验设定参数,在平面光学元件上进行离子束抛光实验研究,抛光前后,PV值由102 nm降为37 nm,RMS由23 nm降为2 nm。结论实验结果验证了模拟结果的有效性,使用驻留时间网格延拓的方法可以避免边缘效应的产生,在此基础上进行离子束抛光,光学元件面形PV及粗糙度达到了非常好的收敛效果。

摘要： 目前,上海同步辐射光源的水冷晶体基本上都是采用胶体粘结方式进行真空密封.在高能同步辐射环境下,胶体易发生失效而带来晶体剥离脱落的风险.为避免这一现象的发生,提出了利用机械夹持机构进行水冷晶体密封的方法.对因机械负载所引起的晶体子午方向的面形误差进行表面面形检测,结果均方根为3.55μrad,可满足实验要求.通过摇摆曲线测试,机械密封结构水冷晶体的半高宽值(Full Width at Half Maximum,FWHM)为11.86″,与原粘结方式下水冷晶体的FWHM值12.24″相比,两者相差约为3％,结果基本一致.此外,还对该机械密封水冷晶体进行了耐水压与检漏等测试,结果表明晶体装配结构的密封性能良好.利用机械夹持进行密封的水冷晶体,既可满足上海同步辐射光源对水冷晶体的性能要求,又可有效避免晶体在工作中剥离脱落事件的发生,从而为光束线的稳定运行提供了必要的保障.

摘要： 本项目系统性地研究了光学自由曲面的面形误差评定方法.首先发展了自由曲面不同目标函数的拟合算法,克服了目标函数不可导和局部收敛的问题.发展了NURBS曲面快速拟合算法,避免了在不同面片之间的反复跳动.从理论角度说明了传统纵向度量拟合偏差的产生原因及解决方案.分析影响拟合精度和不确定度的显著因素,并提出了改善双锥曲面和非球面拟合精度的有效方法.利用曲线波变换研究了复杂表面特征的识别与提取,可有效分离刀痕、缺陷等形态特征.经过本课题的研究,显著提升了复杂自由曲面面形拟合算法的计算精度、效率和稳定性,明确了计算误差的产生原因与解决方法,对推动自由曲面表面质量评定算法的规范化和标准化具有重要作用.

摘要： 大口径SiC陶瓷反射镜磨削加工过程中砂轮磨损快,一方面引起较大的非球面磨削面形误差,另一方面,需频繁更换砂轮、调整磨削深度等参数,严重影响大口径SiC陶瓷非球面的磨削精度和磨削效率.本文针对上述现象建立了仅考虑砂轮磨损情况下的非球面磨削面形误差预测模型,提出了大口径SiC陶瓷反射镜误差迭代预补偿工艺方法,以目标面形误差为基准,对不同磨削点处的名义磨削深度进行预补偿迭代预测,提出大口径SiC陶瓷反射镜变磨削深度磨削方法,以期在一次磨削过程中使反射镜表面各点处的面形误差值均在允许范围内,文中针对二回转非球面作为分析对象.

摘要： 空间轻量化主镜组件在温度变化、装配误差、重力和振动等作用下,面形精度会有明显退化.轻量化主镜的面形误差大小将直接影响光学系统的成像质量,基频反映结构抗振动和冲击的能力.本文结合传统轻量化方式与拓扑优化方法,提出了一种主镜轻量化多目标优化设计方法.首先对主镜进行传统的轻量化设计,再以温度、装配误差和重力工况下的主镜组件的面形误差RMS和基频为优化目标,体积或质量为设计约束,利用拓扑优化方法进行轻量化设计.通过对拓扑优化结果进行结构解析,并考虑各种加工工艺约束,得到主镜的轻量化结构.最后,利用有限元分析软件ANSYS计算优化后的轻量化主镜在各工况下的变形,MATLAB统计相应工况下的面形误差RMS:温度变化4°C工况,镜面的均方根误差RMS达到2.19nm,0.1mm装配误差工况镜面RMS达到3.81nm,光轴水平1g重力工况镜面RMS达到3.23nm,主镜组件基频达到126.4Hz,主镜轻量化率达到81.2％.同时,采用主镜和柔性支撑的一体化设计,降低了设计风险,缩短了设计周期.得到的结果验证了本文方法的有效性.

摘要： 在大口径平面镜检测过程中,瑞奇—康芒法是一种可实现高精度测量的方法.本文对瑞奇—康芒检测法测得数据中由瑞奇角带来的图像压缩进行展开处理,并按一定角度旋转被测平面镜,获得两角度下检测数据,通过对两角度检测数据的处理分析计算,得到被检平面镜面形的泽尼克(Zernike)系数,进而拟合出被检平面镜的面形误差,使检测结果更为准确地反映出平面镜面形情况,最后通过实验验证了瑞奇—康芒法的准确性与可行性.

摘要： 计算机控制的确定性抛光技术使光学镜面的抛光效率得到了较大的提高.基于计算机控制的球形磨头抛光技术,具有去除函数束径小、稳定好,因而具有较好的修正边缘效应以及局部面形误差的能力.为简化该抛光机构的结构,对其进行了路径规划,并对一块微晶球面镜进行了抛光,使面形误差从最大非球面度10.6677μm收敛到PV: 0.365λ,rms: 0.024λ(lλ=632.8nm),抛光的结果验证了该技术的修形能力.

摘要： 主镜作为空间光学遥感器的主要光学元件,合理的轻量化形式及支撑结构对于有效减轻整机重量,改善光学系统成像质量意义重大.本文从材料的选取、镜体轻量化形式的确定及支撑结构的合理设计三个方面考虑了在1g重力、温度波动18°C±4°C的环境对主镜镜面面形的影响,概括了空问光学遥感器主镜的设计原则,并针对某轻型高分辨小卫星Cassegrain载荷系统核心部件Φ600 mm的轻型球面反射镜设计任务,结合有限元法对其轻质镜体在各种支撑状态下的面形进行了分析、验证,并在辅助支撑结构的设计过程中,对比了刚性支撑和柔性支撵对镜面面形的影响,在综合考虑加工和工作状态后,最终确定了一种满足设计要求的整体优选方案,经最终分析计算,主镜组件镜面综合面形误差PV值均小于λ/10,各项指标完全满足该轻型高分辨小卫星主反射镜的设计要求.

摘要： 描述了中科院光电技术研究所几何量光电精密机械测量技术进展。光电所完成了排列互比法用于超精测角的研究及光电轴角编码器动态精度检测技术研究。目前正在开展大型机械零部件形位误差在位测量技术研究,解决了Φ4.5m×5m机架测量难题。在非球面主镜面形误差测量技术方面,正在开展结构光形状误差测量技术、朗奇检验技术、环形子孔径拼接技术、哈特曼检验技术及补偿镜测量技术等研究课题,解决了Φ1.8m大口径非球面主镜面形误差测量难题。

摘要： 角锥梭镜的角度误差和面形误差对出射光的影响都非常大,但目前常规的角锥棱镜误差检测方法中,往往都是忽略面形误差的存在,只考虑角度误差,这显然是不科学的.随着角锥棱镜在高新技术领域的广泛应用,对其面形和角度的加工有更高精度的要求.因此,对面形和角度误差同时进行高精度检测是高精度角锥棱镜检测的必然趋势.本文深入研究了经角锥梭镜后的波面重建,推导了波面特征与角锥棱镜误差参量之间的关系,提出了用哈特曼-夏克波前传感器同时检测高精度角锥棱镜角度误差和面形误差的技术方案,在试验中验证了其正确性和可行性.

摘要： 针对自由曲面注塑模芯的精密加工困难的问题,提出在数控磨床上采用圆弧形金刚石砂轮进行等包络迹高度的数控成形磨削新方法.首先,建立等包络迹高度的行走路径计算方法,然后,分析等包络迹高度与曲面光滑平整成形的关系,最后,对分布在成形磨削表面的面形误差和表面粗糙度进行检测和评价.试验结果表明,减小等包络迹高度可以实现自由曲面的连续光顺性加工.在自由曲面上的非接触激光扫描检测结果显示,面形误差小于200μm.此外,在加工高速钢模芯时,表面粗糙度Ra可以达到50nm以下.

摘要： 首先讨论了动态测量和动态量测量的概念。针对急需解决的测量器具动态准确度的校准问题,提出了"陪测器具验证法"和"动静态比较法";介绍了保证动态测量速度的几项措施,给出了动态测量设备的实例;并概述了动态测量结果的表达方法。

摘要： 本发明公开了一种基于三角形面片误差的网状可展开天线找形方法，包括：基于面积坐标的定义及性质，推导直角坐标与面积坐标之间的转换关系；基于面积坐标的面片误差数值积分计算公式；以最小化面片误差为目标函数，以索单元不松弛为约束，建立新的索梁组合结构找形优化模型；接着将优化模型转化为标准的二次规划问题采用序列二次规划法进行求解。本发明可以在保证索段不发生松弛的情况下，提高反射面的形面精度，同时天线结构的力学性能较传统找形方法有所提高；能准确代表实际反射面的精度，结果更可靠；同时应在找形过程中考虑面片误差，以最小化反射面面片误差为目标会得到优于以最小化节点均方根误差为目标的找形结果。

摘要： 本发明公开了一种基于三角形面片误差的网状可展开天线找形方法，包括：基于面积坐标的定义及性质，推导直角坐标与面积坐标之间的转换关系；基于面积坐标的面片误差数值积分计算公式；以最小化面片误差为目标函数，以索单元不松弛为约束，建立新的索梁组合结构找形优化模型；接着将优化模型转化为标准的二次规划问题采用序列二次规划法进行求解。本发明可以在保证索段不发生松弛的情况下，提高反射面的形面精度，同时天线结构的力学性能较传统找形方法有所提高；能准确代表实际反射面的精度，结果更可靠；同时应在找形过程中考虑面片误差，以最小化反射面面片误差为目标会得到优于以最小化节点均方根误差为目标的找形结果。

摘要： 本发明提供一种大口径薄板光学元件磨削加工面形误差和平行度误差控制控制方法。光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制方法，该方法包括以下步骤：1)磨削真空吸盘；2)磨削元件；3)面形误差控制；4)平行度误差控制。本发明基于真空吸附的装夹方法，提高薄板元件表面每一点的支承刚度，减少加工过程中让刀变形，并且结合面形误差在位测量技术和补偿磨削技术，实现了薄板元件面形误差和平行度误差的确定性与稳定性收敛，实现了面形误差和平行度误差的高效稳定控制。

摘要： 本发明公开了一种基于面形误差斜率的确定性修形加工方法，步骤包括：1)输入待加工光学零件的面形误差斜率和高度去除函数；2)将高度去除函数转换为斜率去除函数；3)根据斜率去除函数、面形误差斜率和确定性修形加工控制所需的驻留时间函数之间的卷积关系，利用反卷积计算方法计算出所述驻留时间函数；4)基于计算出的驻留时间函数对待加工光学零件的表面进行确定性修形加工。本发明直接使用测量得到的面形误差斜率数据计算加工控制所必须的驻留时间，不需要将面形误差斜率转换为面形误差高度，从而避免了面形误差斜率转换到面形误差高度引入的转换误差，有利于提高加工过程的确定性和提高加工精度。

摘要： 本发明公开了一种半球谐振子面形误差和厚度误差的测量装置，包括底座、半球谐振子、底座包括互相垂直的水平底座和竖直底座，水平底座和竖直底座上分别安装有第一气浮转台和第二气浮转台，第一气浮转台设有五轴调整平台，半球谐振子安装在五轴调整平台上，第二气浮转台上设有用于扫描半球谐振子轮廓和/或全半球面厚度的非接触式传感器；第一气浮转台的回转中心轴线和第二气浮转台的回转中心轴线垂直且相交于P点，P点位于非接触式传感器的测量光轴上且与半球谐振子的球心重合。本发明具有结构简单，测量精度高的优点。

摘要： 本发明提供一种大口径薄板光学元件磨削加工面形误差和平行度误差控制控制方法及其装置。光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制方法，该方法包括以下步骤：1)磨削真空吸盘；2)磨削元件；3)面形误差控制；4)平行度误差控制。本发明基于真空吸附的装夹方法，提高薄板元件表面每一点的支承刚度，减少加工过程中让刀变形，并且结合面形误差在位测量技术和补偿磨削技术，实现了薄板元件面形误差和平行度误差的确定性与稳定性收敛，实现了面形误差和平行度误差的高效稳定控制。

摘要： 本发明公开了一种曲面镜面形误差直接测量及三维面形扫描系统，包括垂直线性运动组件、中控旋转组件、水平径向扫描组件及曲面镜定心定位旋转组件；垂直线性运动组件包括电机、导轨和垂直承载滑块；中控旋转组件包括旋转电机、旋转轴承和支撑架；水平径向扫面组件包括电机、导轨、承载滑块及激光传感器；曲面镜定心定位旋转组件包括卡盘、三个可移动等高球面支撑爪、水平仪及定位挡板。本发明由各组件带动激光传感器沿中控旋转平台中心线的垂直方向及不同半径周向旋转运动，实现了激光传感器的初始位置标定、曲面镜的局部面形误差测量及曲面三维扫描；曲面镜定心定位旋转组件为曲面镜的中心定位及局部等曲率半径的提供了精确移动及支撑作用。

摘要： 本发明公开了一种基于面形误差斜率的确定性修形加工方法，步骤包括：1)输入待加工光学零件的面形误差斜率和高度去除函数；2)将高度去除函数转换为斜率去除函数；3)根据斜率去除函数、面形误差斜率和确定性修形加工控制所需的驻留时间函数之间的卷积关系，利用反卷积计算方法计算出所述驻留时间函数；4)基于计算出的驻留时间函数对待加工光学零件的表面进行确定性修形加工。本发明直接使用测量得到的面形误差斜率数据计算加工控制所必须的驻留时间，不需要将面形误差斜率转换为面形误差高度，从而避免了面形误差斜率转换到面形误差高度引入的转换误差，有利于提高加工过程的确定性和提高加工精度。

摘要： 本发明适用于光学加工技术领域，提供了一种频域光学元件面形误差的计算方法、系统和介质，频域光学元件面形误差的计算方法，包括如下步骤：获取体积谱密度函数，所述体积谱密度函数为光学元件面形误差在各频率下所含残余误差材料体积的密度；通过在预设空间频段上对体积谱密度函数进行积分，得到光学元件在该预设空间频段下的面形误差体积。本发明提供的一种频域光学元件面形误差的计算方法、系统和介质具有效率高、精确度高的优势。

摘要： 本实用新型提供一种大口径薄板光学元件磨削加工面形误差和平行度误差控制装置。光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制装置，包括真空吸盘，所述真空吸盘上表面设置有均布的竖直向下的竖向吸附孔，且所述真空吸盘在横向和纵向设置有均布的横向通孔和纵向通孔，所述纵向通孔与竖向吸附孔和横向通孔连通并形成真空气路。本实用新型的真空吸盘提高薄板元件表面每一点的支承刚度，减少加工过程中让刀变形，并且结合面形误差在位测量技术和补偿磨削技术，实现了薄板元件面形误差和平行度误差的确定性与稳定性收敛，实现了面形误差和平行度误差的高效稳定控制。