熊玉朋 1,2,3路文文 1,2,3黄铖 1,2,3陈付磊 1,2,3陈善勇 1,2,3,*
1 国防科技大学 智能科学学院 装备综合保障技术重点实验室，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 智能科学学院 超精密加工技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
3 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
由共用镜坯、径向折叠的多个环带反射镜组成的成像系统具有紧凑化、免装调的特点。为确保各反射镜的面形精度和相互位姿精度，提出了计算全息（Computer Generated Hologram, CGH）补偿干涉测量方法。针对可见光/近红外成像需求，基于共轴折叠思路设计了环带四反射镜成像系统；应用金刚石车削工艺加工了多环带共体反射镜；重点针对其中共体的主镜、三镜和次镜、四镜分别设计了CGH补偿器，通过合理选择离焦载频和CGH轴向位置，有效分离了干扰衍射级次的鬼像，实现了多个反射镜面形与相互位姿误差的同步检测。干涉测量结果表明，多个反射镜同时达到接近零条纹状态，面形精度和相互位姿精度较高，且无鬼像干扰。系统对100 m远处目标探测实验表明，反射镜不需要额外装调即可实现良好成像，具有集成度高、研制周期短、成像质量高的优点。
可见光/近红外成像系统 折叠反射镜 干涉检测 计算全息 高次非球面 visible/near-infrared imaging system folded mirror interferometry CGH high-order aspheric surface 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230175
1 国防科技大学智能科学学院装备综合保障技术重点实验室，湖南 长沙 410073
2 超精密加工技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则，计算机生成全息图（CGH）是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此，面向制造过程，重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题，探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题，论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法，探讨加工原位干涉测量进展。最后，从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。
测量 超精密测量 零位检验 光学面形计量 光学自由曲面 计算机生成全息图 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312011
1 国防科技大学智能科学学院装备综合保障技术重点实验室, 湖南 长沙 410073
2 超精密加工技术湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410073
针对鸥翼型非球面面形检测的难题,提出了一种白光干涉拼接测量方案。基于白光显微干涉测量结合子孔径拼接的测量原理对扫描路径进行规划。搭建白光干涉拼接测量平台完成了对10 mm鸥翼型非球面的59个子孔径的高精度测量。利用同步子孔径拼接算法对测得的子孔径数据进行拼接,得到了全口径面形误差。开展了利用高精度轮廓仪和计算机生成全息图(CGH)补偿器对鸥翼型非球面面形进行检测的对比实验。结果表明,所提检测方案的面形误差数值和分布均与高精度轮廓仪和CGH补偿器得到的结果吻合,有效验证了所提测量方案的正确性。
测量 鸥翼型非球面 白光干涉拼接 全口径 高精度
徐思华 1,2,3彭小强 1,2,3,*铁贵鹏 1,2,3陈善勇 1,2,3熊玉朋 1,2,3
1 国防科技大学 装备综合保障技术重点实验室，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 智能科学学院机电工程研究所兼国防科技重点实验室，湖南 长沙 410073
3 超精密加工湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
为从原理上阐述同质材料反射系统的温度特性，并为光学系统设计提供依据。以热变形特征及其计算方法为基础，以光学系统焦点为研究对象，依次介绍单反射镜、共轴多反、离轴反射系统的温度特性，并建立了相应热差模型。仿真结果表明，离轴三反系统后焦距随温度的变化情况与对应镜筒的热变形量完全一致，其在较大温差范围内具有良好的成像质量。由温度变化引起的热离焦可被镜筒补偿，验证了理论模型的正确性，得出在均匀温度场条件下同质材料反射系统无热差的结论。因此，当光学系统尤其是热差效应明显的红外系统采用同质材料反射系统时具有良好的温度适应性。
同质材料反射系统 无热化 焦点温度特性 热差 homogeneous material reflective system athermalization focus temperature characteristics thermal aberration
国防科技大学 智能科学学院, 湖南 长沙410073
基于多尺度成像理论, 采用混合仿生鱼眼-复眼结构, 实现了大视场兼具高分辨率的光学成像系统设计。前级物镜系统为大直径球透镜, 收集广角目标光线并成像到与球透镜同心的球面中继像面上; 次级目镜系统是关于球透镜中心球对称的小口径透镜组阵列, 对中继像进行像差校正并成像到探测器阵列上。对比了物镜采用双层同心球和单个球透镜的成像性能, 后者可获得更优的成像性能且避免了双胶合球透镜带来的公差控制及力学与热稳定性问题。整个成像系统的视场大于100°, 全视场内角分辨率优于10″, 而畸变小于5%; 系统具有大景深特点, 不需调焦即可同时对300 m到无穷远目标清晰成像, 可广泛应用于侦查监控等领域。
光学设计 仿生设计 广角 多尺度成像 optical design biomimetic design wide field of view multiscale imaging
国防科学技术大学机电工程与自动化学院, 湖南 长沙 410073
以非球面为代表的复杂面形在现代光学系统中的应用越来越广泛，因为它比球面提供了更多的设计自由度，可用更少的元件达到更优的成像质量。然而非球面的多样性也带来了面形测量的难题，传统的零位测试没有灵活适应不同面形的能力。可变像差补偿技术对于提高检测柔性和效率具有重要意义。针对回转对称非球面的球差补偿，分析了部分补偿透镜、相位板组合和高次非球面单透镜等可变补偿方案；针对离轴非球面的像差补偿，分析了倾斜球面系统、Risley棱镜和双回转相位板的可变补偿方案；进而介绍了变形镜和空间光调制器(SLM)作为可编程补偿器用于波面干涉测量的研究进展。最后指出可变像差补偿技术面临的大范围和多模式像差补偿、回程误差补偿以及失调像差解耦三个主要问题。
测量 面形测量 可变像差 像差补偿 近零位测试 非球面 激光与光电子学进展
2017, 54(4): 040004
国防科学技术大学机电工程与自动化学院 , 湖南 长沙 410073
子孔径拼接技术与补偿检验技术的结合能够增加干涉仪的横向和垂直动态测量范围，适用于大口径、大非球面度的非球面的面形测量。利用一对相向回转的Zernike相位板作为近零位补偿器，产生可变的像差，补偿不同非球面在不同离轴位置的子孔径像差，使其剩余像差减小到干涉仪的垂直动态测量范围内。通过计算两个待测非球面的子孔径像差，求解Zernike相位板的相位函数；同时结合四台阶刻蚀工艺和载频技术，成倍提高衍射效率并隔离干扰衍射级次的影响。以同温层红外线天文台(SOFIA)望远镜的凸双曲面次镜和凹非球面反射镜为例，验证了该近零位补偿器实现不同非球面的子孔径像差补偿的能力，表明其具有良好的面形适应性。
测量 双回转相位板 近零位补偿器 非球面 光学学报
2013, 33(11): 1112007
国防科学技术大学 机电工程及自动化学院，湖南 长沙 410073
由于空间失重状态与地面状态不同，大口径空间反射镜在地面检测时需要通过特殊支撑结构对其重力进行卸载，同时严格控制支撑力引入的反射镜变形，以满足反射镜高精度面形检测的要求。通过对一口径750 mm的空间SiC非球面反射镜进行检测，对比分析检测结果和有限元仿真结果，研究支撑结构对反射镜面形所造成的影响。主要针对吊带支撑和中心支撑进行详细的检测验证，分析其不能实现该反射镜高精度检测的原因；通过改进支撑方案，最后提出背板支撑，改善支撑变形的影响，不同角度下测量重复性达到纳米级，收到较好的检测效果，为该反射镜加工质量和加工效率的提升奠定了基础。
高精度面形检测 背板支撑 有限元分析 检测误差 high-precision figure testing backboard supporting finite element analysis testing error
国防科技大学机电工程与自动化工程学院, 湖南 长沙 410073
为了获得超光滑光学表面，介绍了离子束作用下改善表面粗糙度的抛光方法，并通过相关的实验进行了验证。光学材料是典型的硬脆材料，在加工过程中的表面粗糙度要经历复杂的演变过程。离子束加工作为光学镜面加工中的最后一道工序，如果在修正面形的同时，能够有效地改善表面粗糙度，那么离子束加工的性能就可以得到更好的延伸。分析了离子束作用下的粗糙度演变机理，在此基础上提出了倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术2种改善表面粗糙度的方法，并使用原子力显微镜进行了测量。实验结果表明：以45°倾斜入射抛光熔石英样件，其粗糙度由初始的0.67nm RMS减小到0.38nm RMS；涂上牺牲层的材料表面粗糙度由0.81nm RMS减小到0.28nm RMS，倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术能够有效地改善表面粗糙度。
离子束抛光 光学表面粗糙度 倾斜入射抛光 牺牲层抛光技术 ion beam figuring (IBF) optical surface roughness obliquely incidence figuring sacrificial layer figuring technology
国防科技大学 机电工程与自动化学院,湖南 长沙 410073
在子孔径拼接和定位算法的基础上研究了环形子孔径迭代拼接算法。该算法可通过精确找出重叠点对和寻找最优位形两个步骤来简化。研究了该算法在环形子孔径拼接测量中出现的如何确定重叠点的问题,并详细介绍了该算法的步骤。最后对160 mm口径的抛物面进行了拼接测量实验, 拼接结果的PV值为0.186λ,RMS值为0.019λ,与自准直全口径测量结果基本一致。结果表明,环形子孔径的迭代拼接算法能够满足非球面镜的高精度测量。
环形子孔径拼接 迭代算法 非球面检测 annular subaperture stitching iterative algorithm aspherical testing
