一种含自由曲面的离轴三反光学系统设计

设计了一种含自由曲面的离轴三反射镜红外光学系统,光学系统采用三个离轴反射镜,其中第二反射镜采用自由曲面面型,其余反射镜采用非球面面型。光学系统接收口径Φ100mm,F/#25。由于反射元件不产生色差,因此光学系统不存在色差。同时反射元件与支撑结构件采用同一材料,光学系统实现无热化设计。利用自由曲面的非旋转对称性,系统轴外像差得到了很好的校正,从而使光学系统成像质量接近衍射极限。通过合理布局三个反射镜的位置,使光学系统外形尺寸达到了160mm×110mm×250mm。     

基于正交双向迭代的自由曲面激光光束整形设计(特邀)EI北大核心CSCD

激光光束整形技术在现代激光工业领域具有重要作用,为了克服传统激光光束整形自由曲面构造中存在法向矢量偏差的局限性,文中提出一种正交双向迭代的自由曲面设计方法。该方法基于能量守恒和斯涅尔定律建立光源与目标面的能量映射关系,通过正交方向坐标点迭代获得自由曲面数据点,同时利用相邻坐标点的均值进行曲面法向矢量修正,从而提高自由曲面的构造精度。设计实例表明,准直入射的激光光束经自由曲面整形反射镜,在特定目标区域内可形成高均匀度光斑。进一步从自由曲面的连续性、拟合精度与面形误差三个方面,与传统设计方法进行了详细对比分析。结果表明,所提设计方法得到的激光光束整形自由曲面连续性与平滑度更好,拟合精度更高;且在加工误差允许范围内,目标面的辐照度均匀性更稳定。     

高数值孔径自由曲面极紫外光刻物镜光学设计

高分辨率需求牵引极紫外光刻（EUVL）投影物镜向高数值孔径（NA）、自由曲面设计形式发展。传统的非球面EUVL物镜设计难以在高数值孔径下兼顾校正像差的需求,往往造成遮拦,破坏成像对比度。提出了一种高NA无遮拦自由曲面EUVL物镜设计方法。依据物镜形态参数判别引入自由曲面的最佳位置,能够有效校正系统像差,在不影响成像性能的情况下增大系统NA。应用该方法设计了一套高NA自由曲面EUVL投影物镜（PO）。与初始非球面物镜相比,通过增加四面自由曲面,将物镜数值孔径从0.3增大至0.35,波像差均方根（RMS）值从1 nm减小至0.4 nm,整个系统光路无遮拦。设计结果表明:该方法有效提高了自由曲面EUVL物镜设计效率,在不产生遮拦的情况下,不但增大了系统NA且减小了系统波像差,提高了物镜整体性能。     

自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用

研究了制冷型红外离轴三反光学系统成像原理和优化设计方法。给出了一个应用自由曲面的制冷型离轴三反射镜光学系统的设计。系统采用两个自由曲面反射镜和一个偶次非球面反射镜组成二次成像的结构形式,将制冷型红外探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率。第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,显著减小第一反射镜的口径。通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用自由曲面增大视场、校正像差、保证系统的成像质量。该系统的工作波段为3~5 m,焦距为450 mm,F数为2,视场为3.6622.931,各视场的调制传递函数在环境温度为-40~60℃的范围内均高于0.5,实现系统的无热化,并且结构紧凑。     

自由曲面在离轴光学系统中的应用

针对自由曲面能提升成像光学系统的性能和校正像差的特点,分析了自由曲面在离轴光学系统中的应用优势。光学系统选用视场角为30°×11°、焦距为150 mm、F数为3的Cook-TMA。本设计中,离轴三反光学系统的主反射镜采用自由曲面设计。分析了使用Zernike多项式曲面在大视场离轴反射式光学系统中对离轴光学系统性能的提升效果,并与使用常规非球面的情况进行了比较,分析了自由曲面的优缺点。结果表明,自由曲面在提高离轴光学系统的成像质量方面具有更大的优势,系统的平均传递函数比常规非球面提升了15.9%以上,系统接近衍射极限。Zernike多项式曲面在离轴三反系统中的应用效果良好,系统的成像性能得到了较大的提升。     

光学非球面面形轮廓检测技术

随着科技的进步,尖端产品和先进光电系统对光学系统的成像质量要求越来越高,光学非球面元件能有效地校正像差、减少系统所需光学元件数量、减轻系统重量,因此被广泛应用。其特殊的面形特征决定了它的加工和检测相对于球面更加困难,而检测精度直接决定了加工精度,非球面检测技术的重要性显而易见。根据测量原理对光学非球面的检测技术进行了概述;根据目前直接面形轮廓法在光学非球面的加工中应用最广的情况,结合最新检测手段,重点介绍了非球面直接面形轮廓法测量技术;并介绍了近年来日益受到人们关注的自由曲面及面形轮廓法在自由曲面检测的应用;最后总结了光学非球面检测技术的现状和发展趋势。     

自由曲面离轴四反全铝光机红外探测系统(特邀)EI北大核心CSCD

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求,设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式,并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下,实现了6.25°×5°的视场角,全视场RMS几何弥散斑半径<6.0μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金,各反射镜进行了柔性支撑设计,以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试,典型视场波像差相似文献   

非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控(特邀)EI北大核心CSCD

自由曲面光束强度与波前调控旨在借助多个自由曲面实现对光束强度与波前两个属性的精准调控,然而这一调控工作通常要求观测平面垂直于光轴,导致系统光路布局受限。针对这一问题,文中提出了一种可实现灵活光路布局的自由曲面光束强度与波前调控方法。首先设定一个垂直于光轴的虚拟观测平面,并建立目标离轴观测平面上的特定照明分布和该垂轴虚拟观测平面上相应照明分布之间的映射关系。结合斯涅耳定律、局部能量守恒定律和光程守恒约束,建立针对垂轴虚拟平面的带有非线性边界条件的光束调控Monge-Ampère(MA)方程,之后采用有限差分法求解该垂轴布局光束调控模型,进而得到非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控的数值解。采用该方法设计了一个用于调控点光源光束强度与波前的自由曲面透镜,借助蒙特卡洛光线追迹,验证了该方法在非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控中的有效性。     

双自由曲面大视场头盔显示光学系统设计

视场大小是评价头盔显示器在虚拟现实等领域的关键性能指标,为了克服视场增加带来各类像差急剧增大的困难,提出了一种基于双自由曲面的大视场头盔显示光学系统。首先,分析了双椭球结构实现大视场与低畸变的基本原理,指出了其难以校正除畸变以外其他像差的原因。接着,提出根据系统对称性和光路走向采用竖直方向对称、水平方向不对称的自由曲面反射镜校正离轴像差,完成了基于双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统设计。系统视场范围为106.3(H)80(V),最大相对畸变为6.97%,出瞳直径8 mm,点眼距19 mm。单目系统向外倾斜8时,双目视场范围为122.3(H)80(V),双目重叠视场为90.3(H)80(V),瞳距在55~71 mm范围内可调节。对系统性能分析结果表明:相比双椭球结构,系统成像质量得到较大提高;视场范围和相对畸变满足虚拟现实领域的应用要求。     

自由曲面光学的超精密加工技术及其应用

突破传统光学成像系统设计理论和方法,将自由曲面引入光学成像系统中,极大地提高了系统的成像质量和能量的传输效率;采用先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件,解决了自由曲面光学元件加工的技术瓶颈.开发了自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法,以及多轴超精密数控加工光学自由曲面的自动编程及其刀具轨迹仿真系统,建立了自由曲面三维拓扑预测模型与优化系统,研发了多个自由曲面测量及评估方法,并搭建了自由曲面光学设计、加工、测试一体化的集成平台.上述核心技术有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题.研究成果推动了超精密加工及纳米测量领域内的技术进步.     

基于手绘的3D概念模型建模

以笔画为基础,使用变分隐式曲面方法,构造形式自由的3D模型。文中描述了建模的具体步骤,并讨论了每一步骤中需要注意的问题,设计出了可以进行自由绘制的程序。程序运行结果表明,使用变分隐式曲面绘制的模型具有光滑、封闭的特性,而且可以方便地进行融合和其他后续操作。     

自由曲面数字化测量中黏性目标识别技术研究

自由曲面数字化测量中,由于传感器单元测量区域较小或被测物体本身遮挡等特性的限制,实现整体测量需要进行多次的图像拼接。黏性目标的应用较好地解决了空间图像拼接中不同坐标系的转换与统一。提出了一种基于不变曲线矩法对多重圆弧平面型黏性目标进行识别的技术。这种方法可以准确地对黏性目标进行识别,同时具有较强的鲁棒性。根据这种方法实现的三维空间距离测量相对误差优于0．6％。     

基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统设计

反射系统具有体积小、重量轻、无色差、成像性能优良等特点,广泛应用于航空机载领域。本文基于矩阵光学理论,并以此建立非线性方程组,用数学软件求解得到满足要求的初始结构。优化过程中不断调整系统各镜的偏心和倾斜,消除系统的中心遮拦。在光学系统中引入自由曲面,提升了光学系统的轴外像差平衡能力,增大系统视场角。设计了焦距100 mm,视场角20°×20°,相对孔径为F/7的离轴四反射镜光学系统。结果表明,该光学系统具有较大的成像视场,结构紧凑,无中心遮拦,成像质量接近衍射极限。     

自由曲面激光强化的轨迹优化研究

根据激光强化的工艺特性,从优化的角度出发,提出了一种基于平行截面法的改进算法.首先通过分析光斑的平均离焦量与光斑覆盖域曲率的关系,得到用自由曲面最大主曲率表示的工艺所允许的最大光斑尺寸公式;进而通过轨迹样本点分析的方式,得到统计平均的相邻平行截面间距.该方法综合考虑光斑大小、光斑间距、轨迹排距等多种因素,相较于一般的轨迹规划算法,能在保证加工效果的基础上有效提高加工效率.最后给出了一个算例,这一方法被用于汽车门板局部的激光强化加工轨迹规划,取得了良好的效果.     

一种新型LED模块COB封装结构设计

根据目前市场上LED模块COB的封装结构特点以及相关研究结果,提出了一种新型COB自由曲面透镜封装结构方案。通过封装由特殊计算得到的自由曲面透镜阵列,不仅避免由于出光界面的全反射的发生,还能实现特定的光学分布。根据光源辐射特性以及器件的出射光学分布,利用能量守恒定律以及Snell方程建立方程组,运用龙格-库塔法求解得到自由曲面数据。采用Tracepro软件对所设计的结构进行仿真,模拟结果表明,器件实现特定的光学分布,同时结构的出光效率高于90%。     

赋形卡式天线最佳吻合反射面的计算方法

由于重力的作用,天线反射面实际上都是变形的曲面。针对这一问题,建立了最佳吻合反射面的数学模型,以提高变形后反射面的精度,从而改善天线性能。基于等光程条件,导出了赋形卡塞格伦天线变形后曲面的最佳吻合反射面的参数方程,从而可求得最佳吻合反射面的6个参数以及实际变形曲面与最佳吻合反射面的均方根偏差。最后给出了65 m射电望远镜天线的计算实例,结果表明主面精度得到了明显的提高。     

Subreflectarrays for Reflector Surface Distortion Compensation

With the increasing interest in the applications of large deployable reflector antennas operating at high frequencies, the requirement on the reflector surface accuracy becomes more demanding. Thermal effects inevitably cause certain reflector surface distortions, thus degrading the overall antenna performance. This paper introduces a novel reflector surface distortion compensation technique using a subreflectarray and presents detailed discussions. A microstrip reflectarray is used as a subreflector, illuminated by a primary feed. By properly adjusting the additional phase shift provided by the subreflectarray, the aperture phase errors caused by the main reflector surface distortions are compensated, resulting in a considerably improved antenna performance. As an example, a distorted 20-m offset parabolic reflector antenna operating at X-band is successfully compensated by a subreflectarray, and the simulation results are compared with those obtained by array feed and shaped subreflector compensation techniques. The microstrip subreflectarray is low-profile, lightweight, and cost-effective. Only one primary feed is required, and a reconfigurable design can be achieved if electronically reconfigurable reflectarray elements are adopted.      

NURBS曲面重构与点云-曲面误差分析

通过对某汽车零件进行光栅扫描、解相和去包裹处理,获取物体三维点云数据,对点云数据进行降噪、精简和网格化处理。然后根据点云曲率分布云图将点云数据分割成11块区域,首先对A区域点云数据进行曲面拟合,生成4×4阶均匀曲面,然后对其余分块点云数据分别进行曲面拟合,最后通过曲面延伸、拼接、倒角、修剪等处理,获取物体NURBS自由曲面,总体点云-曲面误差为0.2645 mm,并且曲面间符合G1相切连续和法向曲率连续,解决了在曲率较大的地方拟合误差较大的问题,提高了曲面的重构精度。     

试验卫星激光反射器的设计和试验

MS1和MS2试验星是我国首批设计寿命10年的中高轨导航卫星,为提高在轨精度和实现卫星精密定位,作为舱外有效载荷,两颗卫星均标配搭载了激光反射器。卫星激光反射器光学设计应考虑远场衍射等物理光学影响,不能仅考虑几何光学理论设计。以试验星反射器为例,基于角反射器光学远场衍射能量分布理论为基础,采用最大雷达截面法进行反射器尺寸优化,利用角度补偿法进行速差补偿角设计,对反射器表面加工精度、反射表面特性、切割方式等光学参数进行优化分析计算,并通过合理的机械结构和材料设计,解决了高量级力学环境、330℃高低温度交变、10年空间辐照寿命等环境适应性问题。试验星光学测试结果表明:参数设计合理,可实现远场环带能量在预定观测区域的最大化,在轨观测数据表明反射器工作正常,测距精度、测距范围等指标满足预期设计,理论设计和实践相符,这对今后同类激光反射器的设计具有借鉴和指导意义。