为了实现单晶硅反射镜高效低损伤的超精密加工, 研究了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅反射镜超精密磨削工艺。通过形貌检测和成份测试的方法分析了该工艺采用的超细粒度金刚石砂轮的组织结构特征, 并对单晶硅进行了超精密磨削试验, 研究了超细粒度金刚石砂轮的磨削性能。通过砂轮主轴角度与工件面形之间的数学关系实现对磨削工件面形的控制。最后, 采用超细粒度金刚石砂轮对Φ100 mm×5 mm的单晶硅反射镜进行了超精密磨削试验验证。试验结果表明, 超细粒度金刚石砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra值小于10 nm, 亚表面损伤深度小于100 nm, 磨削后的单晶硅反射镜面形PV值从初始的8.1 μm减小到1.5 μm。由此说明采用该工艺磨削单晶硅反射镜能够高效地获得低损伤表面和高精度面形。

针对传统金刚石砂轮磨削硅片存在的表面/亚表面损伤问题, 研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮。根据化学机械磨削加工原理和单晶硅的材料特性, 设计的软磨料砂轮以氧化铈为磨料, 二氧化硅为添加剂, 氯氧镁为结合剂。研究了软磨料砂轮的制备工艺, 分析了软磨料砂轮的微观组织结构和成分。通过测量加工硅片的表面粗糙度、表面微观形貌和表面/亚表面损伤, 进一步研究了软磨料砂轮的磨削性能。最后,与同粒度金刚石砂轮磨削和化学机械抛光(CMP)加工的硅片进行了对比分析。结果表明, 采用软磨料砂轮磨削的硅片其表面粗糙度Ra＜1 nm, 亚表面损伤仅为深度＜30 nm的非晶层, 远好于金刚石砂轮磨削硅片, 接近于CMP的加工水平, 实现了硅片的低损伤磨削加工。

超声辅助磨削是一种套料芯棒加工方法，而硬脆材料在超声辅助磨削加工过程中的去除模式主要为脆性断裂，这将导致加工出的芯棒直径与砂轮内径之间存在尺寸误差。针对上述问题，通过分析超声辅助磨削加工中砂轮表面金刚石磨粒的运动轨迹，运用压痕断裂力学理论建立了超声辅助磨削芯棒的直径预测模型。该模型考虑了脆性材料断裂时产生的侧位裂纹扩展对芯棒直径的影响。通过对K9光学玻璃材料进行超声辅助套料试验对模型进行了标定和验证，接着研究了进给速度和转速对芯棒直径误差的影响规律。通过对比研究发现，模型计算结果与试验结果吻合较好，误差小于5%，验证了模型的有效性。试验结果表明，采用适当的低转速和大进给速度可以有效降低超声辅助磨削芯棒直径的尺寸误差。本文所建模型可为超声辅助磨削套料芯棒的砂轮选择提供理论指导。

调整光谱仪的光谱分辨率, 可使光谱仪在满足不同目标测量需求的同时, 减少数据采集、 处理和存储的时间, 提高仪器的整体性能。 为克服传统傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率固定的缺点, 提出了一种分辨率可调的空间调制傅里叶变换光谱仪。 介绍了该新型光谱仪及其干涉仪的工作原理, 利用光线追迹的方法推导了光程差和横向剪切量的计算公式, 并分析了新型干涉仪的光程等效模型。 在此基础上, 分析了光谱分辨率的调节原理。 结果表明, 该光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪克服了传统光谱仪分辨率固定、 稳定性差等缺点, 具有分辨率可调、 高稳定性、 结构灵活和易于装调等特点。 该研究内容为分辨率可调的干涉光谱仪的设计提供了理论基础, 扩展了傅里叶变换光谱仪的实用范围。

为了对八通道并行多光谱成像仪进行准确的辐射定标, 介绍了多光谱成像仪的工作原理, 分析了相机的辐射响应模型, 根据八个通道以及窄带滤光片的光谱响应特性及实际应用要求, 提出取每个相机的G通道输出作为定标通道。根据不同色温下积分球输出的光谱辐亮度和相机的曝光时间, 测量并拟合出相应的八通道相机辐射特性曲线。实验结果表明该方法可以准确地得到被测目标的绝对光谱辐射亮度曲线, 满足海洋表面多光谱数据的测量要求。

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求, 提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法。该方法利用基结构拓扑优化的思想, 将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构, 通过各筋板的有无描述结构构型的变化。首先, 借鉴连续体结构拓扑优化的思想, 以壳单元离散筋板结构, 以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0, 描述该单元所在区域的筋板是否存在), 以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束, 镜体的质量最小为优化目标, 建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型; 然后, 以拓扑优化所得构型为基础, 提取并形成结构概念构型; 最后, 采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析, 并对结构进行修正, 形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型。文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10, RMS值小于λ/40, 第一阶自振频率大于1 000 Hz, 轻量化率达到86.0%。得到的结果验证了本文方法的有效性。