针对目前检验方法制约大口径、大相对孔径凹非球面反射镜的应用,提出一种基于贴合双透镜的大口径、大相对孔径凹非球面检验方法。与Offner检验方法不同,检验光路中的透镜在反射前后的光路中分别作为校正透镜和自准镜。根据三级像差理论推导初始结构,给出利用单透镜和贴合双透镜检验凹抛物面的残余像差曲线图,并对其进行分析。实验结果表明,自准校正透镜位于共轭后点前的检验方法可以用于大口径、大相对孔径凹非球面反射镜的检验。所提方法从加工、装配和使用等方面考虑更简单方便,为凹非球面检验提供新的思路,并且为利用三透镜检验更大口径和相对孔径的凹非球面打下基础。

针对凸非球面大口径、大相对孔径、全口径检验难的问题,提出了一种利用自准校正单透镜检验凸非球面的方法。该方法通过在单透镜的凸面镀半反半透膜构成自准校正透镜,校正非球面的球差,从而实现大口径凸非球面的全口径检验。依据三级像差理论,推导了初始结构参数计算公式,介绍了检验光学系统的设计方法;对口径为240.62 mm、相对孔径为0.48的凸扁球面光学检验系统进行了模拟设计。系统优化后的残余波像差峰谷(PV)值为0.00025λ,均方根(RMS)值为0.0001λ(λ=632.8 nm)。将该方法用于工程项目中口径为287 mm、相对孔径为0.74的凸双曲面反射镜检验中,测得镜面RMS为0.021λ,验证了该方法的可行性。最后对该方法的适用性以及像差校正能力进行分析。研究结果表明:该方法可以实现任意偏心率凸非球面的全口径检验,在大口径、大相对孔径凸非球面全口径检验时具有较大优势。

为解决凸双曲面检验中因辅助反射镜的口径过大而导致其加工困难的问题,提出一种可用于检验凸双曲面反射镜的方法。在Hindle法的基础上,利用校正透镜和球面反射镜组成消像差系统,通过设计检验光路缩短了辅助反射镜与待检双曲面镜的距离。该方法不但可以减小辅助反射镜的口径,而且能够维持待检双曲面镜的有效口径不变。根据三级像差理论推导公式,设计口径为800 mm,顶点曲率半径为1800 mm,二次曲线常数为-2.25的大口径凸双曲面的检验光路。对所设计的检验光路进行分析,结果显示:其残余像差峰谷值为0.0003λ(λ=632.8 nm),均方根误差为0.0001λ。这表明该方法可以用于检验大口径、大相对口径凸双曲面,并且具有辅助面口径小、检验系统的长度较短的优点。

将半反半透透镜应用于非球面检验。半反半透面和待检验面作为透镜的两个面,空间上相互靠近。半反半透面实现光线自准,同时也对波前进行补偿。这样,既消除了中心遮挡,又可以减小光学系统的尺寸,同时也增强了检验的能力。根据三级像差理论对这一方法进行了推导,进而给出了从待检面的参数得到检验系统参数的方法。根据这一方法设计了一个口径300 mm, 焦 距1200 mm 凸反射镜的检验光路,通过光学设计软件ZEMAX进行优化,优化后系统的波像差小于1/(100 λ), 满足光学检验的要求。

凸非球面的面形检测是光学检验中的一大难题,提出了一种利用半反半透凹面自准单透镜检验凸非球面反射镜的方法。单透镜由凸、凹两个球面构成,凹面为半反半透自准面,使经非球面反射的光线可沿原路返回,从而实现补偿检验。该方法具有结构简单、检测能力强、无中心 遮拦等优点。基于三级像差理论推导了检验系统的初始结构计算公式,给出了不同凸非球面反射镜检验系统的关键参数关系曲线。以 r03=2000 mm 、 e2=－2.4 的凸非球面反射镜为例,求解相应初始结构参数,利用Zemax软件优化得到了系统残余波像差小于 0.05λ 。设计和仿真结果表明所提出的半反半透凹面自准单透镜的检验方法有利于检验各类凸非球面反射镜。

在地面环境检测的空间反射镜面形主要是镜面加工残差和重力支撑变形等耦合的结果.为实现1.2 m轻量化空间反射镜的重力支撑变形分离, 通过测量镜面在等梯度支撑力下的面形, 由镜面力学响应得到镜面畸变和支撑力变化的关系, 以此作为界定有限元分析结果和优化有限元模型的依据.将由修正模型得到的重力支撑面形畸变从反射镜面形检测结果中移除, 即可得到反射镜加工残差.研究表明, 修正后的模型对100 N支撑力变化引起的面形畸变与实测结果误差≤0.001λ, 面形检测为1/30λ的空间反射镜, 其无重力和支撑影响的加工残差优于1/40λ.该结果不仅能指导反射镜面形的高精度抛光, 还可提高最终系统装调精度.

针对像元尺寸为17 m×17 m的 非致冷型640×480元探测器，基于补偿组兼顾调焦群作用的Varifocal 结构，仅用4片透镜就设计出了一种变倍比为6×的长波红外连续变焦光学 系统。针对低成本、高透波率的指标要求，通过理论计算得到了初始结 构，并用CodeV软件对其像差进行了优化，最后针对设计结果进行了 凸轮曲线求解和像质评价。结果表明，当 工作在8 ～ 12 m波段时，在相对孔径1.4 : 1保持不变的条件下，该系统实 现了焦距从20 mm到120 mm的连续变焦，而且空间频率20 lp/mm处的调 制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值均大于0.5。通过样机实测发现，该系统 具有变倍比大、结构紧凑和分辨率高等特点，因而适用于红外监控设 备。

折反射式零位补偿检验是一种综合了Offner折射式和Maksutov反射式补偿检验优点的凹非球面检验 方法,补偿能力强,检测光路紧凑。大口径和大相对孔径非球面检验是制约其加工质量提高的难题,针对口径为4 m、 偏心率为1、顶点曲率半径为16 m的大口径凹抛物面反射镜,设计了折反射式零位补偿器。基于三级像差理论对补偿器的初始结构进行了 规划和计算,采用Zemax软件对初始结构参数进行了优化,得出了补偿器的最终结构,检验光路轴向尺寸约12 m,系统优化后剩余波相差为0.005λ。设计和仿真结果表明,这种折反射式零位补偿器对大口径凹非球 面镜的加工检测是非常有利的。

为实现小口径Hindle透镜对大口径凸非球面的高精度检测,提出了一种新的凸非球面 无光焦度双透镜Hindle检验方法,通过加入无光焦度校正透镜有效解决了传统Hindle检验的不足。对口径180 mm、半径380 mm、 偏心率2.8的凸非球面进行了设计分析,分别给出了不同光焦度分配及不同无光焦度双透镜 间距时系统的残余波像差曲线图,得出较优的系统残余波像差为0.0006λ,验证了该方法的可行性。