【摘要】：大口徑光學(xué)系統(tǒng)具有角分辨率高,能量收集能力強的特點,復(fù)雜光學(xué)元件具有在增多系統(tǒng)設(shè)計自由度的同時減小系統(tǒng)元件數(shù)量的優(yōu)點;因此,大口徑復(fù)雜光學(xué)曲面被越來越多地應(yīng)用于天文觀測和空間對地觀測。而大口徑復(fù)雜光學(xué)元件作為光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,其加工工藝復(fù)雜,檢測難度大,加工周期長,是各國投入大量資金和人力物力研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。大口徑復(fù)雜光學(xué)元件的加工一般分為銑磨、研磨、拋光三個階段。對復(fù)雜曲面而言,檢測手段需要滿足各階段不同的檢測需求,銑磨階段采用機床自帶測量裝置;拋光階段采用干涉儀。而作為過渡階段的研磨階段,通常采用輪廓檢測,此階段復(fù)雜曲面的面形精度由0.1mm至0.001mm量級,意味著相應(yīng)的檢測手段的動態(tài)范圍需達2個數(shù)量級。擺臂輪廓儀由于其不受大尺寸限制且具有高效及在位檢測等優(yōu)點,成為替代傳統(tǒng)三坐標(biāo)被用于超大口徑光學(xué)元件的輪廓檢測的一種重要手段,本文針大口徑復(fù)雜光學(xué)曲面的擺臂式輪廓測量技術(shù)進行了深入的研究,以實現(xiàn)高精度、高效率的輪廓檢測。論文主要從以下幾個方面開展相關(guān)的工作:一、擺臂輪廓檢測裝調(diào)誤差分析。實現(xiàn)高精度檢測的一個必要前提是檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確裝調(diào)。作為影響檢測精度的主要誤差來源之一,裝調(diào)誤差不僅會引入離焦項誤差,還引入其他低階項誤差如球差、彗差等。依據(jù)檢測系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu),建立了包含各裝調(diào)參數(shù)的檢測模型。依據(jù)裝調(diào)參數(shù)和面形檢測參數(shù)之間的聯(lián)系,建立包括臂長L、傾角θ、氣浮轉(zhuǎn)臺擺角和位置等各裝調(diào)項失調(diào)誤差與引入面形誤差的解析函數(shù)關(guān)系。因此可以定量的獲得裝調(diào)項誤差對于任意參數(shù)的復(fù)雜光學(xué)元件的檢測誤差影響,有效實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的裝調(diào)誤差評估,為檢測系統(tǒng)裝調(diào)提供理論指導(dǎo)。在2m口徑非球面反射鏡上進行實驗,驗證了裝調(diào)誤差解析關(guān)系的正確性。二、擺臂輪廓檢測系統(tǒng)誤差分析。分析各系統(tǒng)誤差源對檢測結(jié)果產(chǎn)生的影響,并對各項誤差源如位移傳感器測頭、氣浮轉(zhuǎn)臺等進行標(biāo)定;基于蒙特卡洛方法建立仿真檢測模型,分析采用不同掃描輪廓線進行檢測時,系統(tǒng)噪聲引入的誤差情況;分析系統(tǒng)對復(fù)雜光學(xué)曲面不同頻段面形誤差檢測的敏感性。三、高精度電容位移傳感器式擺臂輪廓檢測。針對RB-Si C的導(dǎo)電特性,采用具有超高分辨率的電容式位移傳感器進行面形檢測。為了確保檢測精度,利用高精度金剛石車削機床對測頭各項誤差進行了標(biāo)定,包括隨溫度變化和測頭自身的線性度誤差,并對測頭端面與待測面相對傾斜引入的誤差進行了討論,在口徑1000mmx800mm RB-Si C反射鏡進行面形測量,驗證了電容式位移傳感器式擺臂輪廓儀的可行性,并且實現(xiàn)了去除power項誤差后的面形檢測精度達0.06μm RMS。四、多測頭雙位置拼接擺臂式輪廓檢測。在檢測過程中采用多測頭進行實時在線標(biāo)定,進一步降低系統(tǒng)誤差,提高檢測精度。分析并設(shè)計了多測頭的檢測模式,并詳細討論了標(biāo)定算法。雙測頭并排安裝在弧線掃描方向上用來標(biāo)定氣浮轉(zhuǎn)臺誤差;第三個測頭安裝在氣浮轉(zhuǎn)臺正下方,用來記錄系統(tǒng)檢測過程中的噪聲。另一方面對于超大口徑的反射鏡檢測,為了避免臂長過長,采用雙位置拼接式檢測方案,可以實現(xiàn)短臂長應(yīng)用于超大口徑的面形檢測。以4m口徑大反射鏡為例,對拼接檢測模式進行設(shè)計及誤差敏感性仿真,篩選最優(yōu)的檢測方案。為了兼顧采樣密度高和檢測時間短,另外增加一個測頭以實現(xiàn)在不增加掃描輪廓線的前提下提高檢測密度,以邊緣密度為約束條件對測頭的安裝位置進行規(guī)劃求解。五、采用擺臂式輪廓檢測技術(shù)對大口徑復(fù)雜曲面進行面形測量。首先介紹了對一塊口徑1.6m的平面鏡進行面形測量,指導(dǎo)其研磨階段的面形加工。其次介紹了對口徑1.5m的離軸非球面的面形檢測,指導(dǎo)其由銑磨后加工至進入拋光階段,與干涉儀檢測結(jié)果對比一致性良好。最后詳細研究了指導(dǎo)口徑2m的同軸非球面反射鏡的研磨階段及粗拋光階段加工的面形檢測,最終面形殘差收斂至為1.6μm PV和0.2μm RMS,與干涉檢測結(jié)果對比,擺臂式輪廓檢測精度達0.86μm PV和0.17μm RMS。
[Abstract]:A large - caliber complex optical element has the advantages of high angular resolution and high energy collecting ability . The complex optical element has the advantages of increasing the degree of freedom of design of the system and reducing the number of components of the system . In order to avoid too long sampling density and short detection time , the surface shape measurement of large - caliber complex curved surface is carried out by using double - position spliced detection scheme . In order to avoid long arm length and to improve the detection precision .
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH74

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本文編號：2138186