光學自由曲面作為制造技術(shù)和光學工程領(lǐng)域相互促進而出現(xiàn)的典型特征表面,為光學領(lǐng)域發(fā)展注入了新的活力。它不但可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減輕系統(tǒng)重量,也使系統(tǒng)光學性能有很大程度提高。為滿足光學應用性能的要求,需要依靠高精度加工予以保證。超精密加工過程中不可避免地受到機床幾何誤差、刀具誤差、熱誤差等各種誤差的影響,降低光學元件的加工精度,進而影響光學元件的最終使用性能。目前加工誤差的相關(guān)研究主要集中在加工誤差建模、測量和補償?shù)确矫?但超精密加工過程的誤差項較多,難以實現(xiàn)對所有誤差項的測量和補償,因此,需要研究各個加工誤差項的影響本質(zhì)及規(guī)律,確定主要加工誤差。同時,超精密機床的精度高,傳統(tǒng)測量方法難以實現(xiàn)對這類機床幾何誤差的測量,因此,進行加工誤差的辨識和補償也成為其研究的另一個重點。此外,被加工光學元件的光學性能是加工的最終目標,如能從光學性能評價入手,進行加工誤差的辨識和補償,直接提高最終光學性能,從而實現(xiàn)光學質(zhì)量可控加工。基于上述分析,本課題擬建立超精密機床加工誤差辨識與補償模型,其主要研究工作如下:(1)提出借助于加工誤差項建立加工與應用的直接關(guān)系,并建立加工誤差與光學性能映射模型�；诙囿w系統(tǒng)運動學理論和齊次坐標轉(zhuǎn)換矩陣建立不同加工方法下的加工誤差模型,研究加工誤差對面形誤差的影響規(guī)律;基于光線追跡理論建立光學性能模型,研究面形誤差光學性能的影響規(guī)律;結(jié)合上述兩個模型,建立加工誤差項與光學性能的直接關(guān)系,為實現(xiàn)主要加工誤差的辨識與補償和光學性能可控制造提供有效途徑及理論基礎。(2)提出基于加工誤差影響規(guī)律的加工誤差辨識與補償方法�；诩庸ふ`差模型,研究加工誤差的影響本質(zhì)和規(guī)律;結(jié)合坐標變換規(guī)律對不同加工方式下的加工誤差項進行分析、簡化和分類;研究加工誤差項對不同類型元件的面形誤差影響規(guī)律及權(quán)重,確定不同類型元件的主要加工誤差,并根據(jù)影響規(guī)律性提出主要加工誤差的辨識與補償方法。(3)提出基于光學性能評價的超精密加工誤差辨識與補償方法,直接實現(xiàn)光學性能的補償和控制�；谟成淠Ｐ�,研究加工誤差與光學性能之間的影響關(guān)系;根據(jù)光學元件的使用要求對元件進行分類,提出基于激光干涉法和視覺分析法對光學元件的光學性能參數(shù)進行測量和評價;根據(jù)測量結(jié)果和超精密加工誤差與光學性能的映射模型的優(yōu)化,辨識各個主要加工誤差項的大小,從而進行誤差補償,最終實現(xiàn)光學性能的控制和提高。(4)以透射元件、反射元件及整機系統(tǒng)為研究對象,開展加工誤差項對面形精度和光學性能的影響規(guī)律、性能指標測量及誤差辨識補償實驗。針對典型透射元件微透鏡陣列加工需求,提出采用定向離心加工方法提高單元面形精度和光學性能及一致性;針對典型反射元件離軸拋物面加工需求,基于波前像差測量評價實現(xiàn)光學性能的直接控制;針對光學自由曲面離軸三反系統(tǒng)加工需求,提出一種免裝配一體化加工方法,實現(xiàn)系統(tǒng)主要加工誤差的辨識和控制。
【學位單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

圖 1-20 光學元件 PSF 和 MTF 隨面形誤差的變化[100]制造精度與器件使用性能關(guān)聯(lián)脫節(jié)的問題，一些研究人員認識加工表面誤差（低頻面形誤差，中頻誤差，高頻誤差）對光學開研究。有關(guān)面形誤差對光學性能的影響，吉林大學 Liu 等差對波前像差、MTF 和 PSF 的影響，證明面形誤差越大，成面形誤差的增加，PSF 邊緣能量變強，即成像質(zhì)量越差，如圖工程物理研究院 Wan 等人[101]對正弦形面形誤差開展了研究，的影響。研究發(fā)現(xiàn)，相位誤差的低頻部分組成了遠場能量分布的分構(gòu)成邊緣部分，對光束質(zhì)量影響，中心缺陷要比邊緣缺陷的影大學 Wu 等人[102]通過研究面形誤差對環(huán)圍能量比的影響發(fā)現(xiàn)根梯度增加時，環(huán)圍能量比呈指數(shù)衰減，也指出遠場光強分布別由面形誤差的低頻部分和高頻部分造成。入射角為 5 度時散射情況

離軸三反鏡主鏡與三鏡一體超精密車削系統(tǒng)圖

第 4 章 光學元件性能指標測量與評價測量裝置的分辨率為 0.03%~0.2%，測量精度為 0.1%~0.3%，測量波長為546nm。其測量結(jié)果如圖 4-9 藍線所示。微透鏡陣列單元曲率半徑的理論設計值為 2.908mm，從圖 4-9 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得到，集成式測量系統(tǒng)的測量值為2.9339mm±0.0114mm ， 比 理 論 值 大 0.89% ， 測 焦 儀 的 測 量 值 為2.9405mm±0.0096mm，比理論值大 1.1%。同時，可以看出兩種測量方法得到的各單元子眼的曲率半徑值相近且變化趨勢相同，證明了該方法的正確性。

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本文編號：2809509