【摘要】：基于非球面、自由曲面的光學(xué)反射鏡是光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺的元件,由其構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小、能量透過率高、成像質(zhì)量高等特點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于大型天文望遠(yuǎn)鏡、空間遙感、復(fù)雜自由曲面制造以及精密工程等領(lǐng)域。大口徑、非球面(離軸非球面)、自由曲面型反射鏡的高效加工一直是光學(xué)領(lǐng)域的瓶頸問題,隨著計(jì)算機(jī)控制局部磨拋等先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)車間基本形成了固定的銑磨、研磨、拋光的三段式確定性加工模式,只要測量精度足夠高,確定性研拋就能加工出相應(yīng)精度的光學(xué)反射鏡,而測量技術(shù)的短板,特別是銑磨到研磨過渡階段測量手段的缺乏,嚴(yán)重影響到光學(xué)反射鏡的加工效率。坐標(biāo)式掃描測量通用性廣,適用于面形誤差較大和表面較粗糙時使用,是最有希望銜接銑磨到研磨過渡的面形測量方式,而現(xiàn)有的坐標(biāo)式測量技術(shù)存在諸多缺點(diǎn):1)接觸式坐標(biāo)測量設(shè)備存在效率低的問題,而采用非接觸探頭的坐標(biāo)式面形測量設(shè)備受限于探頭的量程和精度,如何實(shí)現(xiàn)非接觸探頭的高精度大量程測量?2)傳統(tǒng)坐標(biāo)式測量設(shè)備采用柵格掃描的方式,掃描效率過低,而采用螺旋掃描測量能夠明顯提高測量效率,但如何解決螺旋掃描測量時探頭與主軸旋轉(zhuǎn)中心的對中問題?3)傳統(tǒng)CMM在測量工件邊緣時存在測量不準(zhǔn)的缺點(diǎn),在測量異形工件時存在探頭軌跡復(fù)雜的問題,如何解決異形工件的全口徑測量?4)反射鏡的表面疵病測量意義重大,但目前仍舊依賴人工或?qū)Ｓ迷O(shè)備檢測,而幾乎所有的面形測量設(shè)備都不具備表面疵病測量功能,如何實(shí)現(xiàn)面形測量和表面疵病測量在同一臺設(shè)備上同時測量?本文的研究工作將針對上述關(guān)鍵問題,提出了一系列具有工程意義的方法和關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)了具有自主技術(shù)的非接觸坐標(biāo)式面形測量系統(tǒng)。論文的研究內(nèi)容一共分為六章:第一章:介紹了光學(xué)反射鏡的面形測量研究背景,介紹了光學(xué)反射鏡的應(yīng)用前景和面形測量的基礎(chǔ)理論。概括了目前常用的可用于光學(xué)反射面測量的各種方法,并概述了各自的優(yōu)缺點(diǎn),指出了目前反射面測量所面臨的技術(shù)難題和測量要求。簡述了針對非接觸坐標(biāo)掃描式面形測量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,對比了我國與國外先進(jìn)技術(shù)的差距,并指出現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的不足之處。最后概述了本文的主要研究內(nèi)容和意義。第二章:針對目前高精度探頭均存在量程低、無法測量PV值較大的面形的缺點(diǎn),提出了基于音圈電機(jī)運(yùn)動平臺的自動聚焦式面形跟蹤測量技術(shù),為此本章從音圈電機(jī)運(yùn)動平臺的開發(fā)以及自動聚焦的實(shí)現(xiàn)提出了兩種不同精度和跟蹤速度的自動聚焦系統(tǒng),即機(jī)械導(dǎo)軌式和氣浮導(dǎo)軌式。詳細(xì)介紹了機(jī)械導(dǎo)軌式從器件到系統(tǒng)的開發(fā)過程,包括音圈電機(jī)的設(shè)計(jì)制造、光柵尺細(xì)分器的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)試策略等。介紹了氣浮運(yùn)動系統(tǒng)的優(yōu)勢和開發(fā)難點(diǎn),重點(diǎn)解決了氣浮導(dǎo)軌的裝配技術(shù),提出了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)的裝配技術(shù),實(shí)現(xiàn)了比機(jī)械式系統(tǒng)更優(yōu)的定位精度和更高的跟蹤速度。提出了適用于同類系統(tǒng)的控制策略、調(diào)試策略以及性能評估方法。第三章:提出了一種新的面形測量系統(tǒng),并系統(tǒng)介紹了直角坐標(biāo)式面形跟蹤測量樣機(jī)的開發(fā)過程,包括坐標(biāo)運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、搭建以及控制,運(yùn)動誤差的測量及補(bǔ)償方法,高精度面形測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā),測量信號采集策略和抗干擾措施以及軟件開發(fā);樣機(jī)搭建完成后,對分辨率、漂移、重復(fù)性等指標(biāo)進(jìn)行了測量。第四章:對于掃描式面形測量設(shè)備而言,螺旋掃描是掃描效率最高的方式,而實(shí)現(xiàn)螺旋掃描最大的難點(diǎn)在于掃描探頭和主軸旋轉(zhuǎn)中心的對中。本章提出了一種適用于所有螺旋掃描測量設(shè)備的探頭對中方法,這種方法只需要使用一個傾斜的平面鏡就能實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的對中。本章詳細(xì)說明了該方法的原理和操作步驟,并開展了系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性,同時提出了一種對中誤差的評估方法,實(shí)驗(yàn)證明在自主搭建的測量設(shè)備上的對中精度為10μm,在高精度氣浮平臺上的對中精度為1.7 μm,所需的操作時間僅為3min。第五章:論述了基于色散共焦位移傳感器的反射鏡全口徑面形測量技術(shù)和表面疵病測量技術(shù)。首先介紹了色散共焦位移傳感器的原理,研究了傳感器輸出的譜峰強(qiáng)度信號的工程意義,優(yōu)化了面形測量系統(tǒng)的測量原理,提出了異形光學(xué)反射鏡的全口徑覆蓋測量方法,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。為了實(shí)現(xiàn)反射鏡表面疵病測量,建立了色散共焦位移傳感器的"陡度-位移-譜峰強(qiáng)度"的數(shù)學(xué)模型,提出了面形和表面疵病同時測量的方法,利用該方法成功實(shí)現(xiàn)了亞毫米級表面疵病的測量。第六章:歸納總結(jié)了論文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn),并對今后的研究工作進(jìn)行了展望。
【圖文】：

圖１－邋１過去四個世紀(jì)科來大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷程Ｗ逡逑

圖１－２ａ離軸王反系統(tǒng)，，ｂ離軸四反系統(tǒng)ＲＷ逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【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：2564819