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大口径空间光学镜面检测关键技术研究

彭扬林  
【摘要】:大口径非球面光学元件在矫正像差、改善像质、扩大视场、减轻系统重量、减小占用空间等方面,对光学系统性能提高有很大优势,得到大量应用。随着望远镜、侦察相机、激光武器等装备向空间发展,对具有高轻量化、高强度、高稳定性特点的大口径空间光学非球面镜的需求激增。然而这一类光学镜面的加工一直都比较困难,原因之一是受其检测技术瓶颈的制约。本论文研究工作的主要任务就是针对这一类镜面,在实际检测过程中对存在的问题进行有效的解决,实现其高重复性、高精度的检测,主要从检测过程中所用的检测方法、结合检测过程中存在的镜面安装变形、光路调整困难等关键问题展开研究。论文的研究工作包括以下几个部分: 1、分析非球面产生的球差,根据三级像差理论,计算得到补偿器的初始外形结构。利用光学设计软件得到最优的补偿器外形结构,并对设计的补偿器进行公差分析,验证设计的合理性、可加工性、可装配性。 2、分析大口径镜面安装的特点,对一大口径反射镜进行安装装置的方案设计。通过有限元分析软件,对该反射镜在典型支撑结构、不同工况条件下进行仿真,分析结果显示光轴垂直状态镜面变形过大,达不到检测精度的要求;光轴水平状态下,杠杆重锤的支撑方式可以获得较小的安装变形。提出安装变形灵敏度的概念,对于高灵敏度的支撑方式在实际应用中难以复现仿真结果,在选用支撑方式时应尽量选择低灵敏度的支撑方式。 3、将计算机辅助装调技术应用于补偿检测过程中的光路调整,根据建立的数学模型,自编调整软件。通过对同轴镜测量系统和离轴镜测量系统的数值仿真,验证了自编的辅助装调软件的正确性。研究不同调整变量之间的补偿关系,证明在小失调量情况下,可以只用补偿器的五个调整自由度来实现检测光路的高精度调整;不仅减少了调整变量的个数,也解决了大口径镜面尺寸大、质量大、精确微调困难的问题,降低了装调的实施难度。 4、以Φ750mm的抛物面镜为例,对补偿测量以及安装变形进行研究。平面波入射和球面波入射互检,提高了测量结果的可信度。将仿真结果与实际的测量结果结合起来,分析产生安装变形的原因,具体指导、改进安装方法,创新地提出背板粘结安装方法,不同角度下的测量重复性达到纳米级,减小了安装变形,提高了检测精度和检测重复性。


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