干涉法实时测量浅度非球面技术

提出了一种干涉实时检测非球面的新方法,该方法无需补偿器,CHG等辅助元件就能实现对浅度非球面的测量。对非球面度较小的非球面,直接利用标准球面镜作为参考表面,通过数字干涉仪可以测得全孔径位相分布,将所得的数据剔除参考球面波相对理论非球面的偏差,并运用最小二乘拟合求得机构定位误差,消去此误差,从而能够获得真实的面形信息。利用该方法对一口径为350mm的浅度双曲面进行了测量,通过数据分析和处理得到面形误差的PV值和RMS值分别为0.387λ 和 0.048λ ( =632.8nm)。并将该结果与零位补偿的检测结果相比较,两面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.033λ 和 0.006λ 。说明该技术对检测浅度非球面是切实可行的。     

精研磨阶段非球面面形接触式测量误差补偿技术

在对高精度非球面光学元件进行磁流变抛光制造过程中,为了提高达到最终要求的15～30 nm(方均根值)光学级面形精度的加工效率,必须经过非球面面形快速修正的精研磨过程。针对精研磨阶段的面形误差数字化技术进行了深入分析,建立了分离影响误差收敛精度的线性误差矩阵,并借助于一块具有中心遮拦孔的同轴抛物面反射镜进行验证,结果表明所建立的倾斜误差分离矩阵对于指导非球面研磨阶段的面形检测具有明确的效果,能够提供该阶段待检测工件面形的准确信息,保证了研磨阶段检测与加工的密切衔接,缩短了进入光学抛光阶段的周期。     

中大口径轴对称光学非球面超精密磨削数控机床的研制

通过系统分析轴对称中大口径方形光学非球面包络法加工原理,提出了非球面磨削加工机床各轴系运动的数学控制模型,设计并研制了非球面精密磨削加工机床及机床速度、位移双闭环控制系统,在研制的加工机床上进行了330×300mm的方形光学非球面镜片磨削试验,并采用数字型电感测微仪设计了非球面在线检测系统,通过对加工后的光学非球面进行在线检测,试验结果表明设计并研制的光学非球面磨削加工机床加工精度满足光学非球面镜片加工面形精度PV值达到4μm的要求,且加工效率高,适用于中大口径非球面磨削加工。     

应用旋转法实现大口径非球面反射镜零重力面形加工

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工,建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍,并结合一块Ф1 290mm ULE材料的非球面反射镜加工实例,分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法,实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1mm。然后,在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理,主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS;同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大,进行了针对性去除,面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后,采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工,反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS,去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS,该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径,还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。     

大口径非球面反射镜误差分离组合加工技术

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾,提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先,分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后,比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后,根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点,将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差,使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略,有效提高加工效率。结合工程实例,对一块口径为2.04m的非球面SiC反射镜进行了加工试验,单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明,高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高,达到了良好的效果,满足加工需求。     

基于多体系统理论的非球面磨削误差模型与补偿技术

为提高大中型非球面的磨削精度,从而提高非球面的加工效率,研究轴对称非球面磨削过程的误差模型,并对误差进行补偿.运用多体系统理论,基于一阶线性模型,建立非球面磨削成形的统一误差模型,并且推导各种误差对于最终面形误差的传递函数.基于传递函数特征相似误差集中补偿的方法,将所有趋势项误差转化为砂轮对刀误差以及砂轮形状误差进行补偿,并建立实用补偿模型,从而避免求解、校正各项具体误差.试验结果表明,建立的误差模型和辨识模型正确,可以使面形误差收敛到预期范围,从而解决了轴对称非球面磨削中的精度控制问题.     

Φ1.2m F/1.5抛物面主镜补偿器

用于Φ1200 F/1.5主镜面形检验的补偿器,需要补偿0.087mm的非球面度,并实现0.033λ（RMS）面形检测要求。详细介绍了该补偿器的设计、误差分析、加工、标校及最终主镜检测的情况;用于主镜检测前用计算全息（CGH）对补偿器标校显示：补偿器产生的抛物面面形误差为0.012λ（RMS）,二次曲面常数K的误差0.0064%;主镜最终的补偿检测结果为：面形0.027λ（RMS）,二次曲面常数K的误差0.0306%,与分析的结果相符合。结果表明：补偿器设计合理,建立的误差分析原则和方法可行,加工质量可靠,这将为更大口径高陡度非球面主镜的补偿检验奠定坚实基础。     

Ф1．2mF／1．5抛物面主镜补偿器

用于Ф1．2mF／1．5主镜面形检验的补偿器,需要补偿0．087mm的非球面度,并满足0．033λ（RMS）面形检测要求。介绍了该补偿器的设计、误差分析、加工、标校及最终主镜检测的情况。主镜检测前用计算全息（CGH）对补偿器标校显示：补偿器产生的抛物面面形误差为0．012λ（RMS）,二次曲面常数K的误差为0．0064％;主镜最终补偿检测结果为：面形误差0．027λ（RMS）,二次曲面常数K的误差为0．0306％,与分析的结果相符。结果表明,补偿器设计合理,建立的误差分析原则和方法可行,加工质量可靠,为更大口径高陡度非球面主镜的补偿检验奠定了坚实基础。     

Ф420mm高次非球面透镜的加工与检测

介绍了Ф420mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化,通过分工序加工方式,依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时,考虑透镜的凹面为球面,利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测,剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后,透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS;针对透镜的凸面为高次非球面,采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测,其精度达到0.013λ-RMS。最后,采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测,得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明,非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.     

摆臂式非球面轮廓仪的原理与试验

介绍了一种新颖的非球面轮廓仪的测量原理和测量试验,它通过测量非球面与某一参考球面之间的偏离量来唯一确定非球面的面形误差,通过调整测量臂长以及回转轴线与光轴之间的夹角实现对不同非球面的测量。系统主要由高精度两维转台,高刚度测量臂,四自由度微调系统和高精度扫描测量传感器组成,并分别在VC++6.0与MATLAB平台上开发了测控软件以及数据处理软件。该测量方法的优点是测量所需传感器量程小,测量运动为一个简单的回转运动;缺点是测量调整自由度多,校准困难。建立了测量系统的数学模型,通过测量数据与名义面形之间的非线性优化,在获得面形误差的同时获得了非球面面形参数误差。通过测量多条截线实现了对非球面面形的全口径检测。最后对直径200 mm,顶点曲率半径1 400 mm的凹形抛物面镜进行了测量,结果表明,系统重复精度优于0.8 μm,精度优于1 μm。     

一种中小口径非球面元件数控抛光技术

基于自主设计研制的FSGJ-3型非球面数控加工中心,针对口径φ108 mm凸非球面透镜(曲率半径R＝318 mm,k=－3),研究了非球面粗抛光工艺、精抛光工艺、抛光设备、磨料以及相关工艺参数,提出了规范的中小口径非球面加工的工艺方法和新型轮式抛光技术,实现了中小口径非球面元件的数控快速精密铣磨成型,且保证了光学零件具有较高的面形精度。抛光后元件面形精度达到0.306 λ(PV)、0.028λ(RMS) (λ=0.632 8μm)。满足了在光学系统中使用非球面零件,明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件数目,从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统质量的目的。     

A solution for NURBS modelling in aspheric lens manufacture

Aspheric lenses are widely used as important parts of commercial optical products. Owing to their specific functionality, the aspheric surfaces of the lenses are mostly defined by highly complex functions incompatible with commercial manufacturing systems. This reduces lens data interoperability in downstream lens manufacture processes. It is necessary to represent such surfaces in standard formats such as non-uniform rational B-splines (NURBS) by approximating them without sacrificing their accuracy. This paper presents a solution for improving product data interoperability in aspheric lens manufacture. According to the surface type, the solution employs appropriate methods for approximating NURBS surfaces to aspheric surfaces of each type within a specified accuracy and correspondingly provides a simple way of interfacing lens data with commercial manufacturing systems. Some experimental results demonstrate its usefulness and quality.     

一种新的三焦点DVD光学头单片物镜设计

为了兼容CD、DVD、HD-DVD三种盘片,设计了适用于780nm、650nm和405nm三个波长的二元衍射面和非球面相结合的单片物镜, 三个波长对应的物镜数值孔径分别为0.45、0.60和0.65。二元衍射表面被分割成两个同心环形区域,根据谐衍射原理,每个区域对不同的波长设定不同的衍射级次。介绍三焦点物镜的基本结构和工作原理,详细论述了二元衍射面和非球面的设计理论、结构参数以及光学头物镜的性能评价参数。应用zemax软件进行理论模拟,结果表明所设计的物镜能达到实际应用的技术要求     

利用曲面计算全息图进行非球面检测

研究了利用曲面计算全息图进行非球面检测.分析了曲面计算全息图的衍射特性,给出了曲面计算全息图与传统检测方法相结合检测凹非球面和凸非球面的原理及特点,并进行了具体设计.利用激光直接写入设备,在口径为110mm、曲率半径为504mm的曲面基底上制作出了计算全息图,并对金刚石车床车削的凸面非球面进行了检测.利用两步测量法解决了凸非球面的中心部位难以检测的难题,同时利用旋转相减法消除了调节误差,非球面的面形精度为234nm(P-V),与金刚石车床的精度相符.     

Rhenium-iridium coating effect of tungsten carbide mold for aspheric glass lens

Recently, with increasing lightness and miniaturization of high resolution camera phones, the demand for aspheric glass lens has increased because plastic and spherical lenses are unable to satisfy the required performance. An aspheric glass lens is fabricated by high temperature and pressure molding using a tungsten carbide molding core; so precision grinding and coating technology for the molding core surface is required. In this paper, Aspheric glass lens for 5 megapixel 4 time zoom camera phone modules was developed. The grinding condition of the tungsten carbide molding core was found after applying design of experiments (DOE). Also, the ultra-precision grinding process was investigated under this condition by experiment. Rhenium-iridium (Re-Ir) coating was applied on the ground surface of the tungsten carbide molding core. The influence of Re-Ir coating was compared and evaluated. The surface roughness of the molding core were improved by application of Re-Ir coating on the surface of the tungsten carbide molding core. Aspheric lenses were also molded with the non-coated molding core and the Re-Ir coated molding core. The surface roughness of the aspheric glass lens improved by about 0.4 nm (aspheric surface) and 0.5 nm (plane surface).     

应用多个非球面优化鱼眼镜头的方法

对于鱼眼镜头一类光学系统,其超大视场的物点对于光学系统的成像,是符合平面对称光学系统的成像规律的。应用LU发展的平面对称光学系统的波像差理论,研究如何在鱼眼镜头光学系统中应用非球面对成像系统进行优化设计。首先,通过计算各个光学面的非球面系数对超大视场光学系统波像差的影响,找到受非球面系数变化影响最大的几个光学面;然后,以这几个面的非球面系数为变量,以光学系统调制传递函数作为评价函数,应用自适应归一化实数编码遗传算法,优化设计鱼眼镜头光学系统;最后,通过实例验证了所提出方法的有效性。所提出的方法可以有效地确定一个或多个最佳非球面的位置,对优化设计鱼眼镜头系统具有指导意义。     

Precise bi-arc curve fitting algorithm for machining an aspheric surface

With the rapid development of the information/image system and aero-space industries, high quality optic aspheric surface lenses play an increasingly important role for completion of the functionalities. Aspheric lenses are non-spherical surfaces having rotation symmetry about the lens axis. The aspheric lens has various shapes according to its application and often requires tens nanometer order form accuracy since surface roughness and form accuracy play essential roles in the functional performance of the optical products. Interpolation of the aspherical surface path must precisely meet the allowable tolerance. Linear interpolation of the aspheric surface path for CNC machining generates an enormous amount of NC code to satisfy the extremely small tolerance, and produces scallops on the machined surface due to the acceleration and deceleration of the tool during every linear motion. Alternatively, interpolations with bi-arcs are used. In this paper, in order to minimize the error induced by the cutting tool path and to shorten the calculation time of interpolation, a precise -arc interpolation method is proposed. The developed algorithm of bi-arc interpolation meets the given tolerance precisely. This is guaranteed by an analytical proof and error maps. Another advantage is its ability to calculate about five times faster than the existing arc interpolation, since iterative calculations for the maximum error can be omitted. The developed algorithm has been used for the precise aspheric machining.     

超精密非球面镜面计算机辅助设计与应用

非球面镜面加工技术的研究已经成为先进制造技术的核心问题之一,相关的超精密装备制造关键技术除了机床本体,最重要的是系统控制软件及应用软件的开发,这是制约自主产权的超精密加工装备技术发展的瓶颈问题之一。结合作者在日本从事NEDO项目合作的实际经验,深入细致地阐述了超精密非球面镜面计算机辅助设计(CAD)系统的算法原理、系统结构及系统实现,并通过实际的光学镜面设计实例,介绍SGT-CAM软件系统具体开发及应用,为超精密非球面镜面的计算机辅助加工打下了基础。该系统已经成功地应用于自行开发的小型超精密镜面加工机SGT100上,形状误差小于100纳米,表面粗糙度小于5纳米,得到有关专家的充分肯定。     

光盘用双非球面不晕透镜设计

介绍一种校正球差和正弦差的,含有10次方项的双非球面自动设计程序.用该程序设计出焦距为4.5mm,数值孔径为0.45的双非球面透镜.用实例讨论了折射率,厚度和工作距离对透镜质量的影响.