中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着天文技术的发展，望远镜的口径已经达到数米级，这对望远镜镜面的加工与检测提出了更高的要求。细磨阶段是镜面加工的重要阶段，该阶段的镜面材料去除量大，周期长，所以需要一种有效的检验方法来指导加工。大口径望远镜镜面质量较重，不易搬运；镜面加工材料通常为脆性材料，存在磕碰或划伤的风险，因此最好选择在位检验的方法。另一方面，在细磨阶段，镜面面形精度变化范围在几十个微米，尚未到达波长量级，所以只能选择轮廓检验的方法。
 
摆臂式轮廓仪具有在位检测、检测精度高、自由度少等优点，非常适用于大口径镜面细磨阶段的面形检测。但是现有轮廓仪在设计上存在一些不足：系统误差标定复杂、空间姿态确定困难、镜面转台误差难以消除、探头倾斜姿态调整困难等。
 
针对上述不足，本论文提出了一种用于大孔径镜面细磨阶段面形的摆臂式相对检验方法并对轮廓仪的机械结构进行了改进。改进后的轮廓仪在继承了传统轮廓仪优点的同时，可以精确确定最接近球面，有效消除掉多种系统误差，提高检测结果的精度。此外，当检测不同类型镜面时，可以保证探头始终垂直于待测面。
  
本文主要从以下几个方面开展了研究工作：
 
(1)  调研摆臂式轮廓仪在国内外的发展现状。通过查阅国内外的文献资料，充分
了解了国内外摆臂式轮廓仪的结构组成、工作原理和检测应用。
 
(2)  针对现有轮廓仪的不足，研究了一种用于细磨阶段面形的摆臂式相对检验方
法：首先，将摆臂式轮廓仪放在标准面上标定。然后，将摆臂式轮廓仪安装在镜面加工机床上，通过机床直线和旋转运动调整轮廓仪的空间姿态，使得探头经过镜面的最低点并垂直于被测面。接着，启动气浮转台并通过摆臂带动探头在镜面上进行弧线扫描并记录采样点的位置信息和面形数据。最后，根据非球面面形恢复算法恢复面形并评估镜面加工质量。
 
(3)  研究装调误差对检测结果造成的影响。轮廓仪安装在机床上并通过机床的直
线和旋转运动将镜面放在待测镜面上方，所以机床的运动误差会造成一定的引入误差，从而影响面形检测的精度。根据机床的运动自由度，本文主要分析了探头沿X方向和Y方向偏心、有效臂长误差和倾角误差对非球面面形检测的影响。通过微分和级数展开，建立引入误差和偏离量的函数关系，从而可以定量的获得不同装调误差存在时造成的引入误差，为系统装调提供了有效的指导。
 
(4)  完成了轮廓仪的部件选型和装配设计。根据精度要求，我们确定了轮廓仪的
各部件具体型号和规格。根据待测镜的尺寸要求，设计了摆臂的长度和摆角的大小。利用SOLIDWORKS软件，完成了轮廓仪的各子结构和整体装配的设计工作。
 
(5)  推导了一组在球冠上完备的正交多项式，并给出了前15项解析表达。该多
项式可以用来分析球面装调误差的高阶项，眼角膜的面形数值拟合。最后我们通过对不同数值孔径上的相同面形分别采用球冠正交多项式和泽尼克多项式进行拟合发现，对于中数值孔径以上的光学系统，前者的拟合能力要强于后者，且在超半球上依然适用。