非球面光学元件的制造技术(英文)

非球面光学元件广泛用于不同领域,但它们的成功应用主要取决于其质量和制造费用。近几年来,通过开发计算机数控光学加工机械和新的制造技术,已经取得了大的进展。本文涉及制作非球面所用的主要技术。总结将指明适合的用途和这些方法中的每一项的技术成就。两个实际的例子表明非球面光学元件的挑战和光明未来。     

用于全景成像系统的一种新型光学非球面

介绍一种用于全景成像系统的单个复杂非球面前置元件,从几何光学的基本原理出发,给出了这种非球面的高斯分析和不同情况下的面形方程,利用正交拟合算法得到了便于实现光路计算的多项式表述,并成功地运用于光线追迹和像差计算。     

光学元件检测技术的研究

介绍了光学非球面加工精磨阶段和抛光阶段的检测技术、柱面镜面形的测量方法、超高精度球面面形的测量方法和光学元件参数的高精度测量技术。     

非球面光学元件面形检测方法

随着科技的发展,尖端产品和现代化武器对光学元件质量要求越来越高,非球面光学元件因性能优良而应用越来越广泛,需求越来越迫切,非球面元件面形检测也成为研究者的工作重点,该文着重阐述现有的非球面光学元件面形检测方法,介绍各种方法的检测原理,并给出了各种方法的优缺点。     

光学非球曲面器件塑性域的超精密加工方法

较全面地列举了国内外已实现光学器件非球曲面超精密加工的各种先进方法，并总结出了这些加工方法的优缺点，从这些加工方法中可得出：超精密磨削不仅有较高的磨削效率，而且能获得很高的面形精度和极低的表面粗糙度，它是光学非球曲面器件塑性域超精密加工最为有效的一种方法。     

非球面系统的波差法光学设计

采用波差法进行非球面系统的光学设计,非球面用于常规光学系统可以提供附加设计参数和选择光学材料的自由度。本文主要研究了用波像差推导了非球面元件的初级象差,分析了产生差别的物理实质。给出一、三级成像特性与色差公式,波差法基于球差与波差的联系,并进行波差与结构参数之间的推导得出方程式,可解析求解满足初级象差平衡的光学系统的初始结构参数,用ZEMAX校正可以得到满意的结果,采用波差法进行非球面光学系统的光学设计简单易行,且设计的物镜质量高,成本低。     

超精密磨削大型光学非球面元件的研究

介绍了加工大型光学非球面的超精密数控磨削系统，给出了用来生成NC加工软件的加工非球面时砂轮的中心位置的求解模型，在此基础上讨论并给出了由砂轮安装产生的砂轮与工件主轴的偏心误差形成的加工工件面形误差的计算模型，并提出有效的工具路径补偿方法。通过计算机模拟验证了这种补偿方法的可靠性。     

小型非球面光学元件测量技术研究

非球面光学元件应用越来越广泛,其测量技术非常关键.本文研究了小型非球面光学元件的各种面形测量方法,针对其测量原理进行了分类和对比,对其优缺点和适用范围进行了讨论,同时分析了各种测量方法实现的关键技术和面临的挑战.     

非球面人工晶体设计及其光学性能研究

提出了非球面人工晶体的设计思路及方法,即根据个体人眼的角膜地形图,将其转换为波前图,获得Zemike系数Z40(球差)项,在该球差值基础上设计并得到非球面人工晶体结构参数.对植入9.5D和20.5D人工晶体的两实际患眼成像质量的模拟分析表明:以本丈方法设计的非球面人工晶体在对人眼系统的MTF,对比敏感度及离焦MTF的改善上都明显优于传统的球面人工晶体,光学性能良好.本文为非球面人工晶体的设计提供了切实可行的方法,并为其在临床上应用提供了一定的理论基础.     

非球面光学元件的快速制造技术

为满足光学行业的市场需求,非球面光学元件的快速制造技术是实现低成本、批量化、高精度生产的最佳解决方案之一。本文主要介绍了非球面光学元件的快速制造技术,包括精密光学玻璃模压成型技术和精密光学塑料注射成型技术,并对两种技术与其他非球面光学元件的制造技术进行了对比,阐述了模具材料种类、模具加工方法、成型材料、成型过程等内容。最后总结了近年来非球面光学元件的快速制造技术的发展现状,并对未来发展进行了展望。     

Optical design of freeform two-mirror beam-shaping systems

The problem of design of a two-mirror optical system for reshaping the irradiance distribution of a laser beam in a prescribed manner is considered in the geometrical optics approximation. The presented design equations are derived in a rigorous manner and are applicable to two-mirror optical systems not limited to radiance profiles and beam cross sections that are rotational or rectangular symmetric. The resulting mirrors are free-form surfaces not restricted by a priori constraints. Moreover, the presented approach shows also that even in the general case two different designs are available for the same data. In one of these designs the first mirror is always concave and the second is convex, while in the second design the resulting mirrors may be neither convex nor concave. Since, in general, the surface mirrors are aspherical, the availability of a design with convex and concave mirrors is particularly important for fabrication.     

Optical design with parametrically defined aspheric surfaces

The standard aspheric surface definition has been used successfully to correct aberrations in a wide variety of systems. However, in some current applications a more general surface definition is needed. We present a more general approach that uses parametrically defined optical surfaces for the optical design of imaging and illumination systems.     

非共轴非球面光学系统计算软件设计

本文描述了一个非常规光学系统计算软件。光学系统可包括倾斜、偏心的球面和非球面。本文解决了一般非共轴光学系统初始数据建立问题,提供了光学系统图形显示,并对光线光路追迹结果进行了一些处理和讨论。     

Optical beam-shaping design based on aspherical lenses for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams

We present two optical system designs using aspherical lenses for beam circularization, collimation, and expansion of semiconductor lasers for possible application in lidar systems. Two different optical lens systems are investigated; namely, two aspherical lens and single aspherical lens systems. Software package programs of ZEMAX and MATLAB to simulate the optical designs are used. The beam reshaping results are presented for one specific laser beam output.     

支撑光学制造的几何量计量技术(英文)

几何量计量技术大量应用于光学制造业以检测零件质量和控制生产过程,是光学制造业的核心技术,涉及微纳米结构的几何量计量以及平面、球面、非球面、直纹曲面及自由曲面的面形计量.本文综述了德国联邦物理技术研究院支撑光学制造的部分计量技术.介绍了一种测量范围为25 mm×25 mm×5 mm的计量型大范围原子力显微镜(AFM),可灵活多样地测量各种微纳结构.介绍了一种新颖的AFM探针(ACP),可实现微纳结构侧壁形貌的直接、无损测量.介绍了一种应用Flared AFM探针的真三维AFM及其用于减少针尖磨损的矢量探测技术,可应用于各种纳米结构的真三维测量.介绍了可用于平面和中等曲面面形绝对测量的两种方法:差分型激光束偏转法和可溯源多路传感器法(TMS).讨论了面形测量中存在的挑战性难题.介绍了可用于面形测量的高精度三坐标测量机.     

Efficient testing of segmented aspherical mirrors by use of reference plate and computer-generated holograms. I. Theory and system optimization

Telescopes with large aspherical primary mirrors collect more light and are therefore sought after by astronomers. Instead of large mirrors as a single piece, they can be made by use of numerous smaller segments. Because the segments must fit together to create the effect of a single mirror, segmented optics present unique challenges to fabrication and testing that are absent for monolithic optics. We have developed a new method for measuring large quantities of segments accurately, quickly, and economically using an interferometric test plate and computer-generated hologram (CGH). In this test, the aspheric mirror segments are interferometrically measured by use of a test plate with a best-fit spherical surface. The aspherical departure is accommodated with a small CGH that is imaged onto the test plates. The radius of curvature is tightly controlled by maintaining the gap between the test plate and the segment. We present a summary of the test and give the basic design tradeoffs for using a single system to measure all of the segments of a large aspheric mirror.     

平衡式干涉仪的光学系统设计

介绍了两种平衡式干涉仪的光学系统设计方法,分别给出了用于单端测量和双端测量的具体设计方案.由于采用的平衡式光学系统中测量光束和参考光束具有近似相等的光程长度和相似的路径,其光程差仅由被测件的长度或被测表面与测量参考镜之间的距离而引起,因此干涉仪具有很高的稳定性.用双端测量双光程平衡式干涉仪对准零长度试样进行测量,在185 h测量中所得数据的标准偏差为2.1 nm.     

从测量值计算非球面参数

为解决按测量值计算非球面光学系统成像质量的问题,提出了一种从三维坐标测量值提取标准非球面方程的参数的方法．首先在两个相互垂直的近似的中心剖面附近取值,并分别投影到这两个平面上;然后拟合曲线;再用这两条曲线在各自的平面内截取一组平行直线成一组线段,改变直线的斜率,使各线段中点共线,确定非球面的对称轴和顶点坐标;最后,平移、旋转坐标系后,将三维坐标降维,用多项式拟合成二维曲线,同时将标准形式方程中的无理项展为泰勒级数,对比二者的系数并推广,得到任意偶数阶标准非球面方程的参数．大量随机取值计算的统计结果表明,算法的误差是测量误差的1／2．     

基于部分补偿干涉的非球面顶点曲率半径加工误差测量

测量非球面顶点曲率半径加工误差对预估成像系统质量和计算机辅助装校有重要意义。传统的部分补偿干涉系统只能测量非球面面形误差,即被测非球面与标称非球面之间的不规则偏差。通过分析系统剩余波前特定像差项随被测面位置的变化关系,基于部分补偿干涉原理,提出了一种非球面顶点曲率半径加工误差测量方法,测得非球面顶点曲率半径加工误差。仿真实验结果表明,所提出的误差测量方法具有可行性,其原理相对测量精度不低于0.003%。     

应力抛光技术加工抛物面的实验研究

大口径非球面加工技术一直是先进光学制造领域研究的前沿课题,本文开展了以大型非球面应力抛光技术(SMP)为核心的相关先进光学制造技术的研究.研究了应力抛光技术的原理及算法,以加工一块口径为φ314mm,F/7的抛物面镜为例,验证应力抛光技术的合理性和有效性.采用干涉仪检测抛光结束的抛物面其峰值(PV)为3.317λ,均方根(rms)为0.489λ.结果表明,应力抛光技术能够以较高精度、快速地形成旋转对称的抛物面,其面形误差满足或接近于非球面面形的精度要求.