1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410003
大口径离轴非球面光学元件的应用需求呈大幅增长趋势，如空间/地基大口径望远镜、航空光电和地面跟踪瞄准装置等。同时，日益增大的元件口径和越来越短的加工周期使得高效高精度制造工艺成为大口径离轴非球面光学元件加工的核心问题。精密磨削作为大口径离轴非球面元件的材料高效去除工序，磨削面形精度(Peak-Valley, PV)和损伤层深度直接决定了后续的抛光难度与周期。因此，开展了大口径离轴非球面光学镜面的控形控性高精度磨削研究，即提升大口径离轴非球面光学元件的磨削面形精度的同时降低磨削损伤深度，实现二者在数值上的协同逼近。在控形方面，确立了机床结构方面影响低频面形形状与精度的主要影响因素，探究了A轴零位误差、Y轴对中误差、砂轮形状尺寸误差、磨削方法路径和Z轴面形补偿等因素对面形精度的影响规律以实现工艺参数的协同控制与精度优化。在控性方面，获得了磨削损伤深度随磨削参数的变化规律并建立了磨削损伤深度与磨削表面粗糙度的映射关系，提出针对大口径离轴非球面磨削亚表层损伤抑制策略。对640 mm口径离轴非球面镜进行形性控制磨削实验后，面形精度达到3 μm，表面粗糙度Ra小于24 nm，Rz小于0.2 μm，依照表面粗糙度与亚表面损伤层深度映射关系，亚表面损伤层深度5 μm左右，逼近面型精度。经验证后续抛光周期大幅缩短，对大口径光学元件的高效高精度加工具有重要参考价值。
精密磨削 形性精度 面形精度 亚表层损伤 离轴非球面 precision grinding contour-performance accuracy form accuracy subsurface damage off-axis aspherical surface 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230454
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了在光学元件的加工中获取更加接近高斯型的去除函数, 本文基于传统行星运动抛光理论, 提出了用自转去除函数公转轨迹积分较方便地求取各种复杂形状磨头去除函数的方法。当转速比大于10时, 新方法与传统方法得到的实心圆盘去除函数曲线非常接近, 从而验证了提出方法的正确性。 采用新方法推导了不同形状磨头的去除函数, 并通过计算机进行了仿真实验。实验显示: 磨头形状为Ⅱ型花瓣, 偏心率为0.4时, 可以获得非常接近高斯型的去除函数。针对Ⅱ型花瓣磨头进行了抛光试验, 结果表明, 当偏心率为0.4、转速比为10时, 试验结果与仿真结果非常吻合, 且都非常接近高斯型去除函数。实验结果再次验证了新方法的正确性。
行星抛光 磨头 高斯型去除函数 自转去除函数 planet polishing polishing head Gaussian-like removal function rotation removal function 光学 精密工程
2017, 25(10): 2706
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 空间光学应用研究室, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100039
在完善基于有限元分析的跨平台综合优化流程的基础上, 获得了反射镜最优结构参数,并通过21阶Zernike多项式面形拟合得到球差是导致反射镜形变过程中面形精度退化的主导像差模式.根据有限元优化得到的最优结构参数研制了第二块气动驱动渐变厚度变曲率反射镜样片(口径135 mm, 中心厚度8 mm, 初始曲率半径2 807 mm)并进行了曲率变化能力及面形精度保持试验研究.研制工艺的改进使本文所研制的变厚铝合金反射镜初始面形精度优于λ/80(632.8 nm), 当驱动气压达到约0.07 MPa时, 反射镜中心形变量接近37 μm并且去掉球差影响后的面形精度可以优于λ/40(632.8 nm).与前期所研制的第一块样片相比, 第二块样片的中心形变能力以及面形精度保持能力均显著提升.
光学变焦 无运动部件变焦 变曲率反射镜 气动驱动 变厚 薄板弹性理论 Optical zooming Zooming without macroscopic moving elements Variable curvature mirror Pressurization actuation Variable mirror thickness Elasticity theory of thin plate 光子学报
2017, 46(10): 1011002
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 空间光学应用研究室, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100039
以环形线负载驱动模型为基础, 分析了环形线负载驱动变曲率反射镜难以兼顾大中心形变与高精度面形保持的原因; 从薄板弹性理论出发, 得到了一种气动驱动变厚变曲率反射镜物理模型.理论分析表明, 将反射镜的厚度分布从等厚改为变厚, 并采用气压均匀驱动替代推力环环形驱动, 反射镜不仅能产生大的中心形变, 而且在形变过程中的面形精度也远高于环形线负载驱动变曲率反射镜的.基于超硬铝反射镜样片的试验验证了对变厚变曲率反射镜的理论分析; 试验中, 反射镜初始面形精度接近λ/50(632.8 nm), 施加0.032 MPa驱动气压产生约22 μm中心形变时, 反射镜面形精度依然优于λ/20(632.8 nm), 证明该气动驱动结合变厚设计这一技术具有较大的应用潜力.
变曲率反射镜光学设计 光学变焦 无运动部件变焦 气动驱动 变厚 薄板弹性理论 Variable curvature mirror optical design Optical zooming Zooming without macroscopic moving elements Pressurization actuation Variable mirror thickness Elasticity theory of thin plate 光子学报
2016, 45(11): 1122001
中国科学院西安光学精密机械研究所 空间光学研究室, 陕西 西安 710119
以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础, 通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量, 获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知: 离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在, 离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小, 且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差, 例如轴对称光学系统未校正球差, 对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差, 由于孔径偏移矢量的引入, 离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称, 有可能在轴外视场产生像差零点。
矢量波像差 离轴反射光学系统 像差 vector wavefront aberration off-axis mirror optical system aberration 红外与激光工程
2016, 45(6): 0618002
中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
介绍了240mm×180mm矩形口径离轴双曲面反射镜的加工与检测。提出了一种通过配块把矩形镜拼接成母镜来实现离轴镜加工的方法。完成了最佳比较球面和最大非球面度等工艺参数的计算。抛光阶段的非球面检测采用零位补偿法, 其中零位补偿器是补偿检验中的关键元件。该离轴双曲面镜的最终面形RMS达到了0.02λ, 满足了设计要求。
离轴非球面 拼接 非球面抛光 零位补偿法 off-axis aspheric spliced aspheric polishing null compensation testing
