为实现(165mm×96mm)矩形扫描反射镜组件的轻量化并保证反射镜面形精度与组件支撑刚度, 提出了一种锥套柔节一体化的背部支撑方法, 实现了重量小于0.5kg的超轻量化碳化硅反射镜组件设计。镜体材料的选择为碳化硅, 支撑结构材料选择了铟钢。通过有限元仿真对扫描反射镜组件进行了仿真分析, 并采用ZYGO干涉仪对实际的反射镜组件进行了检测。实验表明, 在各方向重力的工况和轴系驱动时的扭矩作用下, 扫描反射镜面形误差的均方根值(RMS)最大值为9.705nm, 实际测试结果为10.125nm, 误差为4%, 满足RMS值优于12.6nm的要求; 组件一阶固有频率302.25Hz, 满足刚度要求。研究结果表明, 锥套柔节一体化背部支撑方法合理、有效, 解决了结构超轻量化与结构刚度、光学面形精度难以同时保证的难题。
扫描反射镜 背部支撑 面形精度 支撑刚度 scanning mirror back support profile accuracy support stiffness
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230270
1 季华实验室，广东 佛山 528200
2 长春长光宇航复合材料有限公司，吉林 长春 130102
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
由于载机负载有限，质量一直是机载成像系统结构设计时的关键指标。主支撑结构作为机载成像系统中光学系统的主承力结构，必须进行轻量化设计。但是，以往机载成像系统主支撑结构轻量化设计方法主要包括选择比刚度高的金属材料、优化框架结构布局、调整壁厚、增加减重槽等具体措施。由于金属材料的密度和线膨胀系数较高，这种轻量化设计方法的轻量化程度不高，且有时无法满足高精度光学系统无热化设计的要求。因此，提出了一种复合材料与金属材料相结合的新型轻量化设计方法，利用更低密度、更低线膨胀系数的碳纤维复合材料作为主支撑结构成型材料，钛合金作为对外接口材料，并以质量最轻为目标、基频为约束进行了参数优化设计，最后采用预浸料制造与铺放方法获得了更高轻量化、更优尺寸稳定性的主支撑结构。通过数值计算、仿真分析与振动试验对新方法的有效性进行了验证，结果表明：新型轻量化主支撑系统基频为425 Hz；质量为10.5 kg，轻量化率为33.5%；60 ℃均匀温升时轴向光学间隔变化量为0.021 mm，降低了84.9%。研究结果表明：新型轻量化设计方法合理、有效，解决了结构轻量化与光学无热化设计的难题，并应用到长焦距大口径机载红外成像系统中。
轻量化 碳纤维 无热化设计 机载红外成像系统 lightweight carbon fiber athermalization design airborne infrared imaging system 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220232
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
研究了空间遥感器用大口径SiC离轴非球面的超声复合磨削加工工艺。分别对磨削原理、金刚石砂轮结合剂选择、机床选取、磨削参数设定等进行了分析,并设计和规划了磨削工艺流程。基于逆向工程原理建立了高精度离轴非球面模型,创立了激光跟踪仪精磨阶段在线测量大口径离轴非球面的工艺。结合工程实践对一口径为700 mm×700 mm的SiC高次离轴非球面元件进行了逆向工程建模和超声磨削加工试验,并利用激光跟踪仪进行了在线检测。经过3个周期(每个周期4 h)的修磨,其面形精度PV值和RMS值分别由45.986 μm和7.949 μm收敛至12.181 μm和2.131 μm;与三坐标测试结果进行对比,其PV值和RMS值的偏差分别为0.892 3 μm和0.312 8 μm。实验显示,提出的磨削工艺实现了大口径SiC离轴非球面的快速精确磨削,其加工精度、效率以及表面质量都有了很大的提高。
光学制造 SiC离轴非球面 快速磨削 超声复合磨削 在线检测 optical fabrication SiC off-axis asphere fast grind ultrasonic grinding online testing
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光学系统先进制造技术重点实验室，长春 130033；中国科学院研究生院，北京 100039
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光学系统先进制造技术重点实验室，长春 130033
针对一种SiC 材质的非回转对称非球面元件，本文介绍了该元件的加工和检测方法。该实验件的理想面形方程为z=3λ(x3+y3)(x，y 为归一化坐标，λ=0.632 8 μm)，镜胚材料为Φ150 mm 的SiC，加工方式为数控机床和手工研抛相结合。在加工过程中为提高加工效率缩短加工时间，选择平面作为最接近表面并认为去除了面形中的倾斜项。去倾斜之前最低点的材料去除量为3.8 μm，而去倾斜后则为2.06 μm。本文提出了一种新的基于数字模板的非零位检测方法。直接采用Zygo 平面干涉仪检测工件，检测结果可以分为三部分：工件实际面形与理想面形的误差，工件理想面形与平面波前的误差和非共路误差。其中第二部分可以事先计算出来并转换为系统误差文件在检测过程中自动去除。通过在相同条件下检测一个已知的球面样板验证了非共路误差对于检测结果的影响可以忽略不计。由此在一次测量中可直接得到面形误差。实验结果表明，基于这种检测手段最后测得实验件的面形精度PV 达到0.327λ，RMS 优于0.025λ，达到设计要求。
非回转对称 非球面 非零位检测 数字模板 面形精度 SiC SiC unrotational-symmetric aspherical optics non-null testing digital template surface figure
Author Affiliations
Abstract
1 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033
2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039
A new method for testing aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry is introduced. It can test large-aperture and large-relative-aperture aspheric surfaces at high resolution, low cost, and high efficiency without auxiliary null optics. The basic principle of the method is described, the synthetical optimization stitching model and effective algorithm are established based on simultaneous least-square fitting. A hyperboloid with an aperture of 350 mm is tested by this method. The obtained peak-to-valley (PV) and root-mean-square (RMS) values of the surface error after stitching are 0.433'lambda' and 0.052'lambda' ('lambda' is 632.8 nm), respectively. The reconstructed surface map coincides with the entire surface map from null test, and the difference of PV and RMS errors between them are 0.031'lambda' and 0.005'lambda', respectively. This stitching model provides another quantitive method for testing large aspheric surfaces besides null compensation.
非球面测量 干涉术 环形子孔径拼接 最小二乘拟合 220.4840 Testing 120.3940 Metrology 120.3180 Interferometry 070.4560 Data processing by optical means Chinese Optics Letters
2007, 5(11): 645
