發(fā)布時間：2018-06-08 19:28

  本文選題：光學自由曲面 + 面形表征�。� 參考：《中國科學院長春光學精密機械與物理研究所》2017年博士論文

【摘要】：自由曲面在光學系統(tǒng)中的應(yīng)用,在不增加光學元件數(shù)量的前提下增加系統(tǒng)自由度,可以有效減少光學系統(tǒng)設(shè)計殘差和光學元件數(shù)量,同時實現(xiàn)成像質(zhì)量的改善和光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化。作為一類復(fù)雜的、非旋轉(zhuǎn)對稱的異形曲面,自由曲面擁有更大的設(shè)計自由度,使得光學系統(tǒng)設(shè)計者可根據(jù)空間相機設(shè)計參數(shù)的特殊需要,突破傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的概念,運用于全新的系統(tǒng)設(shè)計方案中。因而,具有減少光學元件數(shù)量,提高成像質(zhì)量,適應(yīng)輕量化要求等優(yōu)勢。目前,空間遙感光學系統(tǒng)正朝著大口徑、長焦距、小體積和輕量化方向發(fā)展。隨著科技不斷發(fā)展,對成像性能和質(zhì)量提出了更高的要求,這對僅使用球面、非球面的傳統(tǒng)光學系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn),而采用自由曲面光學元件,以其具有的非對稱結(jié)構(gòu)形式,提供靈活的空間布局、拓展優(yōu)化自由度、提升軸外像差平衡能力、改善視場適應(yīng)能力,逐漸成為必然趨勢。自上世紀90年代,自由曲面首先在照明光學、頭盔顯示等系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用之后,近年來,國外歐美發(fā)達國家投入大量資金和研究力量,在自由曲面光學系統(tǒng)相關(guān)研究技術(shù)領(lǐng)域取得了突破,為基于自由曲面的離軸光學系統(tǒng)研制奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。基于自由曲面的光學系統(tǒng)應(yīng)用研究已經(jīng)成為現(xiàn)代高性能空間光學系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。對高精度自由曲面光學元件的制造需求隨之而來。正如從球面到非球面、離軸非球面的變革中,曲面描述方式從曲率半徑增加到二次曲面系數(shù)、高次非球面項系數(shù)、離軸量等參數(shù)一樣,自由曲面的描述需以現(xiàn)有檢測、加工手段為根本,提出一套可靠的參數(shù)指標體系,用來指導(dǎo)自由曲面的制造;同時,也必然要求現(xiàn)有的加工檢測技術(shù)有所提高。因此,研究自由曲面在空間光學系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù),保證自由曲面光學元件制造精度,以使光學系統(tǒng)符合各項設(shè)計指標,就成為自由曲面在空間光學系統(tǒng)應(yīng)用中的重要課題。本論文基于以上問題針對空間光學自由曲面的表征、微分與頻段特征分析、檢測與加工技術(shù)應(yīng)用進行了以下方面的研究:(1)通過研究空間光學自由曲面常用面形基底及優(yōu)化項類型,分析了其微分信息和頻率信息,比較了各種表征方式的特征。分析了其公差表征形式及物理意義。(2)通過對自由曲面面形微分特征的分析,使用面形斜率在研磨階段輪廓檢測中精確補償了接觸測量誤差;使用面形曲率在非零位子孔徑拼接檢測中實現(xiàn)了被檢鏡面面形誤差、標準鏡面形誤差與調(diào)整量的解耦,降低了拼接算法對噪聲的敏感性,提高了檢測精度;研究了掃描曲率檢測及面形重構(gòu)算法,理論分析并實驗驗證了該方法的參數(shù)解算精度。(3)通過自由曲面曲率分布特征的描述,建立模型分析了磨頭參數(shù)對工件不吻合度及加工收斂效率的影響;針對小型磨頭,通過工藝試驗及參數(shù)選取,提高了拋光階段的材料去除速率、穩(wěn)定性;使用區(qū)域性加工策略,提高了收斂的時間效率。(4)建立模型描述了自由曲面由于邊緣效應(yīng)引起的去除量偏差,分析了應(yīng)用尖刀型去除函數(shù)對邊緣效應(yīng)的抑制作用,得到尖刀運動參數(shù)的理論優(yōu)化結(jié)果。設(shè)計并實現(xiàn)了利用單一主軸的復(fù)合運動機械結(jié)構(gòu),結(jié)合頻段誤差加權(quán)優(yōu)化算法,實現(xiàn)了對加工過程邊緣效應(yīng)的有效抑制。
[Abstract]:The application of free-form surface in optical system can increase the degree of freedom of the system without increasing the number of optical elements. It can effectively reduce the design residual and the number of optical elements, improve the imaging quality and simplify the structure of optical system. As a kind of complex, non rotating symmetric surface, free form surface, free surface With more freedom of design, the optical system designer can break through the concept of the traditional optical system according to the special needs of the space camera design parameters and apply it to the new system design. Therefore, it has the advantages of reducing the number of optical elements, improving the quality of imaging, and the requirement of light quantization. At present, the space remote sensing optical system The system is developing towards large aperture, long focal distance, small volume and light weight. With the continuous development of science and technology, higher requirements for imaging performance and quality are put forward, which poses great challenges to the traditional optical systems that only use spherical and aspherical surfaces, and the use of free surface optical elements is flexible in its asymmetric structure. In the 90s of last century, free surface has been successfully applied in the lighting optics, helmet display and so on. In recent years, a large amount of funds and research forces have been put into the developed countries in Europe and the United States and Europe. A breakthrough has been made in the related research field of free surface optical system, which lays a solid technical foundation for the development of free surface based off-axis optical system. The application of optical system based on free-form surface has become an important direction for the development of modern high performance space optical systems. In the change from the spherical to aspheric surface and the aspheric aspheric surface, the description of the surface from the radius of curvature to the coefficient of two surface, the coefficient of higher aspherical terms, the off axis and other parameters, the description of the free surface should be based on the existing testing and processing means, and a set of reliable parameter index system is put forward. To guide the manufacture of free-form surface; at the same time, it must also require the improvement of the existing processing technology. Therefore, the study of the key technology of the free surface in the application of the space optical system is to ensure the precision of the manufacturing of the free surface optical element and make the optical system conform to the design reference, and become a free surface in the application of the space optical system. Based on the above problems, this paper studies the characterization of space optical free-form surface, differential and frequency feature analysis, and the application of detection and processing technology in the following aspects: (1) the differential information and frequency information are analyzed by studying the common surface base and the optimal term type of the space optical free-form surface. The characteristic form and the physical meaning are analyzed. (2) through the analysis of the differential features of the surface shape of the free surface, the contact measurement error is accurately compensated by the surface slope in the grinding stage contour detection, and the surface shape error is realized by the surface curvature in the non zero bit aperture joint detection. The decoupling of the mirror shape error and the adjustment amount reduces the sensitivity of the stitching algorithm to the noise and improves the detection precision. The algorithm of scanning curvature detection and surface reconstruction is studied. The theoretical analysis and experiments verify the accuracy of the method's parameter calculation. (3) the parameters of the grinding head are analyzed by the model of the curvature distribution of the free-form surface. The effect of the workpiece is not consistent and the efficiency of processing convergence; for the small grinding head, the material removal rate and stability of the polishing stage are improved through the process test and parameter selection. The time efficiency of convergence is improved by using the regional processing strategy. (4) a model is established to describe the removal deviation caused by the edge effect of the free surface, and the analysis is analyzed. The effect of the sharp knife removal function on the edge effect is applied, and the theoretical optimization results of the motion parameters of the sharp knife are obtained. A composite motor structure with a single spindle is designed and realized, and the effective suppression of the edge effect of the machining process is realized by combining the weighted optimization algorithm of the frequency band error.
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH74

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本文編號：1996931