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大口径复杂光学曲面的摆臂式轮廓测量技术研究

熊玲  
【摘要】:大口径光学系统具有角分辨率高,能量收集能力强的特点,复杂光学元件具有在增多系统设计自由度的同时减小系统元件数量的优点;因此,大口径复杂光学曲面被越来越多地应用于天文观测和空间对地观测。而大口径复杂光学元件作为光学系统的关键元件,其加工工艺复杂,检测难度大,加工周期长,是各国投入大量资金和人力物力研发的关键技术之一。大口径复杂光学元件的加工一般分为铣磨、研磨、抛光三个阶段。对复杂曲面而言,检测手段需要满足各阶段不同的检测需求,铣磨阶段采用机床自带测量装置;抛光阶段采用干涉仪。而作为过渡阶段的研磨阶段,通常采用轮廓检测,此阶段复杂曲面的面形精度由0.1mm至0.001mm量级,意味着相应的检测手段的动态范围需达2个数量级。摆臂轮廓仪由于其不受大尺寸限制且具有高效及在位检测等优点,成为替代传统三坐标被用于超大口径光学元件的轮廓检测的一种重要手段,本文针大口径复杂光学曲面的摆臂式轮廓测量技术进行了深入的研究,以实现高精度、高效率的轮廓检测。论文主要从以下几个方面开展相关的工作:一、摆臂轮廓检测装调误差分析。实现高精度检测的一个必要前提是检测系统准确装调。作为影响检测精度的主要误差来源之一,装调误差不仅会引入离焦项误差,还引入其他低阶项误差如球差、彗差等。依据检测系统原理及结构,建立了包含各装调参数的检测模型。依据装调参数和面形检测参数之间的联系,建立包括臂长L、倾角θ、气浮转台摆角和位置等各装调项失调误差与引入面形误差的解析函数关系。因此可以定量的获得装调项误差对于任意参数的复杂光学元件的检测误差影响,有效实现快速准确的装调误差评估,为检测系统装调提供理论指导。在2m口径非球面反射镜上进行实验,验证了装调误差解析关系的正确性。二、摆臂轮廓检测系统误差分析。分析各系统误差源对检测结果产生的影响,并对各项误差源如位移传感器测头、气浮转台等进行标定;基于蒙特卡洛方法建立仿真检测模型,分析采用不同扫描轮廓线进行检测时,系统噪声引入的误差情况;分析系统对复杂光学曲面不同频段面形误差检测的敏感性。三、高精度电容位移传感器式摆臂轮廓检测。针对RB-Si C的导电特性,采用具有超高分辨率的电容式位移传感器进行面形检测。为了确保检测精度,利用高精度金刚石车削机床对测头各项误差进行了标定,包括随温度变化和测头自身的线性度误差,并对测头端面与待测面相对倾斜引入的误差进行了讨论,在口径1000mmx800mm RB-Si C反射镜进行面形测量,验证了电容式位移传感器式摆臂轮廓仪的可行性,并且实现了去除power项误差后的面形检测精度达0.06μm RMS。四、多测头双位置拼接摆臂式轮廓检测。在检测过程中采用多测头进行实时在线标定,进一步降低系统误差,提高检测精度。分析并设计了多测头的检测模式,并详细讨论了标定算法。双测头并排安装在弧线扫描方向上用来标定气浮转台误差;第三个测头安装在气浮转台正下方,用来记录系统检测过程中的噪声。另一方面对于超大口径的反射镜检测,为了避免臂长过长,采用双位置拼接式检测方案,可以实现短臂长应用于超大口径的面形检测。以4m口径大反射镜为例,对拼接检测模式进行设计及误差敏感性仿真,筛选最优的检测方案。为了兼顾采样密度高和检测时间短,另外增加一个测头以实现在不增加扫描轮廓线的前提下提高检测密度,以边缘密度为约束条件对测头的安装位置进行规划求解。五、采用摆臂式轮廓检测技术对大口径复杂曲面进行面形测量。首先介绍了对一块口径1.6m的平面镜进行面形测量,指导其研磨阶段的面形加工。其次介绍了对口径1.5m的离轴非球面的面形检测,指导其由铣磨后加工至进入抛光阶段,与干涉仪检测结果对比一致性良好。最后详细研究了指导口径2m的同轴非球面反射镜的研磨阶段及粗抛光阶段加工的面形检测,最终面形残差收敛至为1.6μm PV和0.2μm RMS,与干涉检测结果对比,摆臂式轮廓检测精度达0.86μm PV和0.17μm RMS。


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