大口径空间光学镜面检测关键技术研究

论文摘要

大口径非球面光学元件在矫正像差、改善像质、扩大视场、减轻系统重量、减小占用空间等方面,对光学系统性能提高有很大优势,得到大量应用。随着望远镜、侦察相机、激光武器等装备向空间发展,对具有高轻量化、高强度、高稳定性特点的大口径空间光学非球面镜的需求激增。然而这一类光学镜面的加工一直都比较困难,原因之一是受其检测技术瓶颈的制约。本论文研究工作的主要任务就是针对这一类镜面,在实际检测过程中对存在的问题进行有效的解决,实现其高重复性、高精度的检测,主要从检测过程中所用的检测方法、结合检测过程中存在的镜面安装变形、光路调整困难等关键问题展开研究。论文的研究工作包括以下几个部分:1、分析非球面产生的球差,根据三级像差理论,计算得到补偿器的初始外形结构。利用光学设计软件得到最优的补偿器外形结构,并对设计的补偿器进行公差分析,验证设计的合理性、可加工性、可装配性。2、分析大口径镜面安装的特点,对一大口径反射镜进行安装装置的方案设计。通过有限元分析软件,对该反射镜在典型支撑结构、不同工况条件下进行仿真,分析结果显示光轴垂直状态镜面变形过大,达不到检测精度的要求;光轴水平状态下,杠杆重锤的支撑方式可以获得较小的安装变形。提出安装变形灵敏度的概念,对于高灵敏度的支撑方式在实际应用中难以复现仿真结果,在选用支撑方式时应尽量选择低灵敏度的支撑方式。3、将计算机辅助装调技术应用于补偿检测过程中的光路调整,根据建立的数学模型,自编调整软件。通过对同轴镜测量系统和离轴镜测量系统的数值仿真,验证了自编的辅助装调软件的正确性。研究不同调整变量之间的补偿关系,证明在小失调量情况下,可以只用补偿器的五个调整自由度来实现检测光路的高精度调整;不仅减少了调整变量的个数,也解决了大口径镜面尺寸大、质量大、精确微调困难的问题,降低了装调的实施难度。4、以Φ750mm的抛物面镜为例,对补偿测量以及安装变形进行研究。平面波入射和球面波入射互检,提高了测量结果的可信度。将仿真结果与实际的测量结果结合起来,分析产生安装变形的原因,具体指导、改进安装方法,创新地提出背板粘结安装方法,不同角度下的测量重复性达到纳米级,减小了安装变形,提高了检测精度和检测重复性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的背景
• 1.1.3 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 光学镜面检测技术研究现状
• 1.2.2 大口径光学镜面安装技术研究现状
• 1.2.3 计算机辅助装调技术研究现状
• 1.2.4 发展趋势
• 1.3 课题主要研究内容
• 第二章 大口径非球面镜的补偿检测研究
• 2.1 补偿干涉法检测原理
• 2.2 补偿器设计
• 2.2.1 非球面球差分析
• 2.2.2 补偿器初始结构计算
• 2.2.3 补偿器优化设计
• 2.3 补偿器公差分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 大口径反射镜安装方案设计
• 3.1 大口径反射镜安装原则
• 3.2 大口径反射镜安装变形分析
• 3.2.1 仿真对象介绍
• 3.2.2 镜面光轴垂直状态下安装变形分析
• 3.2.3 镜面光轴水平状态下安装变形分析
• 3.3 大口径反射镜安装变形的灵敏度分析
• 3.4 大口径反射镜检测安装结构的方案设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 大口径镜面补偿检测的光路调整研究
• 4.1 计算机辅助装调模型的建立
• 4.2 计算机辅助装调的软件实现
• 4.3 同轴镜补偿检测调整的数值仿真
• 4.3.1 同轴镜补偿检测系统介绍
• 4.3.2 同轴镜的像差和失调量线性关系验证
• 4.3.3 同轴镜不同调整变量的调整验证
• 4.3.4 同轴镜的调整变量间补偿作用分析
• 4.3.5 同轴镜补偿器单独调整的效果验证
• 4.4 离轴镜补偿检测调整的数值仿真
• 4.4.1 离轴镜补偿检测系统介绍
• 4.4.2 离轴镜的像差和失调量线性关系验证
• 4.4.3 离轴镜的不同调整变量调整验证
• 4.4.4 离轴镜的调整变量间的补偿作用分析
• 4.4.5 离轴镜补偿器单独调整的效果验证
• 4.4.6 离轴镜阻尼系数变化的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 大口径反射镜补偿检测实验
• 5.1 测量对象介绍
• 5.2 750mm 抛物面镜的补偿检测
• 5.2.1 吊带支撑下的检测分析
• 5.2.2 中心支撑下的检测分析
• 5.2.3 背板支撑下的检测分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果