为了探究轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响, 建立了三种相对理想锥镜母线的偏离模型, 即母线向内侧凹陷、外侧凸出、顶点呈双曲线分布的轴棱锥透镜.推导了各偏离锥镜的振幅透过率函数, 并基于菲涅耳衍射理论对平面波经三种母线偏离锥镜的出射光场及光强分布进行了理论分析与数值模拟.结果表明：锥镜母线内凹时, 光场强度变小, 焦深延长, 纵截面光场逐渐发散, 沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变大; 锥镜母线外凸时, 光场强度激增, 焦深变短, 纵截面光场逐渐汇聚, 沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变小; 锥镜顶点呈双曲线分布时, 光场振荡加剧, 场强和焦深几乎不变, 纵截面光场发散后逐渐恢复至均匀分布状.研究结果可为分析轴棱锥透镜锥面加工误差对无衍射光束传播特性的影响、进一步完善无衍射光束衍射场理论, 以及拓宽其工程应用范围等提供参考.

离心熔铸技术在大口径非球面镜镜胚的制造方面具有独特优势。本文通过自行研制的缩比模型实验机进行试验, 深入研究了离心熔铸工艺及成型镜胚质量, 详细介绍了模具涂层的制备、离心熔铸的加热及冷却等工艺过程, 制备了非球面镜镜胚模型。采用数值模拟与试验研究相结合的方法, 对所得镜胚面形偏差工艺参数的敏感性进行了研究。分析了模具的热膨胀系数、镜胚冷却速率、直径及加热温度对面形偏差的影响, 得到了偏差工艺参数的敏感性规律。通过对面形偏差进行两次迭代补偿, 面形偏差值从-84 μm降到33 μm, 补偿后的结果满足设计要求。采用离心熔铸技术, 可以制备满足上表面垂直偏差在30~40 μm范围内的非球面镜镜胚。

对采用圆锥嵌套Wolter-I型结构的X射线聚焦望远镜在装配过程中产生的面形偏差进行了模拟和分析。首先, 利用ANSYS有限元软件建立二维模型。然后, 以实际装配步骤和夹具为加载和边界条件, 通过分析不同半径镜片的装配过程, 得到了面形偏差与三根压条的载荷关系曲线, 由此优选出了不同半径镜片对应的最佳装配载荷。分析显示: 除对应的最大面形偏差外, 优选出的装配载荷均可控制在0.1 μm以内, 满足装配精度要求, 而且对应装配载荷下玻璃镜片的最大Mises应力也均小于玻璃的强度极限, 不会在装配过程中失效。此外, 建立了三维分析模型并与二维简化模型分析结果进行了比较。结果显示: 计算偏差主要集中在镜片的前、后两端约5 mm范围内, 最大偏差为2.3 μm; 镜片中段两种模型的计算偏差小于0.03 μm, 表明提出的二维简化模型可以用于玻璃镜片装配的快速面形偏差分析和载荷确定。文中对镜片装配过程的分析可为提高装配精度提供理论依据。

通过3D扫描的方法,对椭球反光镜的面形进行了检测,并与标准椭球面形进行最佳拟合对比,以E210反光镜为例。结果表明：3D扫描能够完成椭球反光镜的检测,E210反光镜在底孔部位存在加工过量,在端口部位存在近似“十字形”对称的加工不足的现象,加工误差范围为-0.06 mm ~+0.08 mm,符合轮廓度误差±0.1 mm的要求。3D扫描点云能够进行逆向反求并建立实际反射面模型,进一步模拟反光镜的反射光斑形状、大小等参数,模拟结果与检测结果一致。

采用三坐标测量法对磨削加工及模压热成型两种工艺的椭球反光镜进行了面形测量, 与标准型线全局比对获得了椭球面形的偏差, 结果表明磨削反光镜存在峰谷误差分布, 而模压热成型反光镜误差曲线近似于线性分布。采用 Tracepro对两种反光镜进行了应用模拟, 磨削反光镜的光利用效率是模压热成型反光镜的 92%。采用光学成像法观察了反光镜的出射光分布情况, 磨削反光镜出射光呈现环状条纹亮暗分布, 而模压热成型反光镜出射光呈现云状光强分布。