中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

十米级以上口径的大型光学望远镜是天文学研究不可或缺的观测设备，其标志性的主镜采用上百块离轴子镜拼接而成。这些子镜对应二次曲面的离轴部分，高精度、高效率地磨制和检验这些镜面是望远镜建造过程中面临的重要技术挑战。基于凯克望远镜发展出的预应力加工技术被工程实践证明是磨制此类镜面的有效方法。

本文对预应力加工中的子镜面形检验技术进行研究，在对比国内外技术方案的基础上，提出了一种二维阵列检测装置的方案，来实现对批量大口径离轴非球面的高精度、在工位、快速检测。论文的研究工作包含以下几个部分：
1.制定了检测装置的总体方案，具体包括：检验装置与镜面的对准方法、二维阵列检测装置与镜面加工设备的接口设计、精度定标的方法、旋转加密的检测方案以及对检测装置测量误差的分配。
2.设计了二维阵列布局方案。泽尼克多项式拟合曲面的稳定性与采样点的分布特性密切相关。因此，在传感器数量一定的情况下，研究传感器的布局方式十分重要。在对比等边三角形布局、蜂窝结构布局、圆弧线布局的基础上，提出了黄金螺旋线布局的方案，利用其自相似性，按照等角递增原则生成的传感器点位可以实现对整个检测区域全面且均匀的覆盖。与旋转加密采样相结合，提高了检测密度。
3.提出了一种基于泽尼克正交多项式的面形重建方法。运用理论面形公式生成随机样本数据代替真实面形，然后利用拟合算法从测量数据中重建面形，通过对比拟合面形与理论面形的偏差评估检测系统的设计性能，验证了检测装置对低频镜面误差的检测能力，证实了二维阵列检测技术在预应力加工中的可行性。
4.对检测装置的测量误差源进行了分析，包括:利用蒙特卡洛数值分析方法评估了测量噪声影响，研究温湿度对传感器测量精度的影响，采用有限元仿真分析检测装置的附加接触力的影响，评估了检测装置与镜面加工设备对接时的对准偏差的影响，揭示了检测装置对各误差源的敏感程度，为改进结构设计与增加误差补偿机制提供了理论依据，从而保障检测精度能够达到预期精度。
5.提出了检测装置的结构设计方案。从仪器的功能要求出发，将二维阵列检测装置划分为中心轴组件、支架、定位结构、平衡组件、检测系统几个主要模块，利用三维建模软件完成了检测装置的结构设计并完成了零件制图。