【摘要】：大口徑光學系統(tǒng)具有角分辨率高,能量收集能力強的特點,復雜光學元件具有在增多系統(tǒng)設計自由度的同時減小系統(tǒng)元件數(shù)量的優(yōu)點;因此,大口徑復雜光學曲面被越來越多地應用于天文觀測和空間對地觀測。而大口徑復雜光學元件作為光學系統(tǒng)的關鍵元件,其加工工藝復雜,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)的關鍵技術之一。大口徑復雜光學元件的加工一般分為銑磨、研磨、拋光三個階段。對復雜曲面而言,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,此階段復雜曲面的面形精度由0.1mm至0.001mm量級,意味著相應的檢測手段的動態(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)三坐標被用于超大口徑光學元件的輪廓檢測的一種重要手段,本文針大口徑復雜光學曲面的擺臂式輪廓測量技術進行了深入的研究,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)原理及結構,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)的復雜光學元件的檢測誤差影響,有效實現(xiàn)快速準確的裝調(diào)誤差評估,為檢測系統(tǒng)裝調(diào)提供理論指導。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)對復雜光學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定,進一步降低系統(tǒng)誤差,提高檢測精度。分析并設計了多測頭的檢測模式,并詳細討論了標定算法。雙測頭并排安裝在弧線掃描方向上用來標定氣浮轉(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對大口徑復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,指導其由銑磨后加工至進入拋光階段,與干涉儀檢測結果對比一致性良好。最后詳細研究了指導口徑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：2138186