二元光学在凸非球面零件检测中的应用

大口径凸非球面的传统检测方法是使用背部检验。在分析各种传统检测方法的基础上,研究了一种新的检测方法,即用二元光学元件检测大口径凸非球面。给出了两种方法的设计实例,所研究的凸曲面为一椭球面,口径为400mm,实现了二元光学在凸曲面检验中的应用。     

基于高分辨力CCD的大口径光学元件疵病检测

 介绍了一种利用高分辨力CCD快速检测大口径光学元件表面和体内疵病的方法。利用侧照明方式对大口径光学元件进行均匀掠射照明,表面和体内疵病因为散射在暗室成像过程中影像被放大。对比研究了疵病示踪尺寸和真实尺寸,得出近似数学关系,利用高分辨力CCD,通过一次性成像获得光学元件疵病尺寸近似值、2维空间位置等定量描述表面特征的信息。     

数字刀口仪定量检验非球面光学元件面形

构建了一台数字化刀口仪,利用该数字刀口仪对二次非球面光学元件进行实际检验,获得了非球面光学元件表面面形的均方根(RMS)值和峰谷(PV)值.将数字刀口仪测量结果与干涉仪测量结果进行比较,测量结果的一致性在0.001μm以内,验证了数字刀口仪定量检测非球面光学元件的可行性以及所研究的数字刀口仪的准确性.最后对测量结果进行...     

激光跟踪仪检验非球面面形的方法

通过扩充激光跟踪仪的现有功能,提出了一种适用于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的快速检测方法.分析了测试原理,设计规划了检测流程.利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量,并将测量的结果与非球面CAD模型进行分析对比、处理和运算,获得非球面的面形分布信息,结合实例对一口径为420 mm×270 mm的离轴非球面进行了面形检测,并与零位补偿结果进行对比,结果表明,两种方法测试的面形误差分布是一致的,其峰谷值和均方根值的相对偏差分别仅为6.22％和3.37％.该方法无需其它辅助光学元件就能够准确地实现对大口径非球面面形的检测,测试数据处理和数学运算简单,实验操作简单易行.     

子孔径拼接检测大口径非球面技术的研究

为了无需其他辅助光学元件就能够实现对大口径非球面的测量,提出了子孔径拼接干涉检测方法。并基于齐次坐标变换、最小二乘法以及Zernike多项式拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;开发了子孔径拼接检测非球面算法软件,进行了计算机模拟和仿真实验;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并利用子孔径拼接实现了对口径为350mm的双曲面的检测;为了分析和对比,对待测非球面进行零位补偿检测实验,子孔径拼接所得的面形分布和零位补偿检测所得的全口径面形分布都是一致的,其面形误差PV值和RMS值的偏差分别为0.032λ和0.004λ(λ=632.8nm)。从而提供了除零位补偿检测外另一种定量测试非球面尤其是大口径非球面的手段。     

激光跟踪仪检验非球面面形的方法

通过扩充激光跟踪仪的现有功能,提出了一种适用于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的快速检测方法.分析了测试原理,设计规划了检测流程.利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量,并将测量的结果与非球面CAD模型进行分析对比、处理和运算,获得非球面的面形分布信息.结合实例对一口径为420 mm×270 mm的离轴非球面进行了面形检测,并与零位补偿结果进行对比,结果表明,两种方法测试的面形误差分布是一致的,其峰谷值和均方根值的相对偏差分别仅为6.22%和3.37%.该方法无需其它辅助光学元件就能够准确地实现对大口径非球面面形的检测,测试数据处理和数学运算简单,实验操作简单易行.     

用计算全息法检测大口径凸非球面的研究

针对大口径的凸非球面零件使用特殊材料(如采用碳化硅)时无法用传统的背部检验方法的难题，初步研究了计算全息法检测凸非球面的原理和方法。所研究的凸曲面为一扁球面，口径为100mm，通过设计得出了相应的结果，实现了新型光学元件——二元光学面在凸曲面检验中的应用。     

大口径光学非球面元件拼接优化及精度验证

针对磨削阶段大口径光学非球面元件拼接测量精度不高的问题,提出一种基于两段拼接的优化算法。首先根据多体系统运动学理论、斜率差值及逆推法建立两段面形轮廓的拼接数学模型;其次针对拼接算法中工件运动量和运动误差对拼接精度的影响,仿真分析了350mm非球面工件的两段拼接。仿真结果表明,随着平移误差增大,拼接误差明显增大,而当控制旋转角度在8°以内、平移量在10mm以内、旋转误差在60′以下及平移误差在3μm以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2μm波动;最后利用Taylor Hobson轮廓仪和高精度辅助测量夹具对120mm口径的非球面光学元件进行测量实验并研究工件运动量对拼接测量精度的影响。实验结果表明,当控制平移量在10mm以内和旋转角度在8°以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2~0.6μm之间,能满足磨削阶段光学元件亚μm级精度的面形检测要求。     

一种离轴凸非球面补偿器的研究

凸非球面,尤其是离轴凸非球面的光学检验一直是非球面加工中的难点。针对离轴凸非球面光学元件加工检验困难的问题,研究了一种改进的Hindle方法,解决了经典的透射式Hindle方法需要大口径辅助弯月透镜等不足。针对大口径离轴凸非球面的检测,设计了一个特殊结构的补偿器组,并对补偿器的加工和装调进行分析、仿真和优化,对整个补偿检测系统进行公差分析,并给出了相应的结果,同时也可以把此设计推广到更大口径的离轴凸非球面镜的面形检测中去。     

二次非球面镜检测中基于波前等高线图的调整方法

为了提高非球面光学元件的检测精度及效率,缩短调整环节的时间,分析了非球面干涉检测过程中被检非球面镜的调整误差对检测结果波前信息的影响,提出利用波前等高线图走势准确判断调整方向的调整方法。建立调整方向与被检镜失调量之间的关系,并利用光学设计软件Zemax仿真模拟检测光路,结合二次非球面镜的光学公差分析判断调整量的大小。基于该调整方法,利用Zygo激光干涉仪对口径为50 mm的双曲面进行检测,最终检测结果是RMS为0.014 ,实验表明该方法简单、可行。     

Measurement of large aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry

A new method for testing aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry is introduced.It can test large-aperture and large-relative-aperture aspheric surfaces at high resolution, low cost, and high efficiency without auxiliary null optics. The basic principle of the method is described, the synthetical optimization stitching model and effective algorithm are established based on simultaneous least-square fitting. A hyperboloid with an aperture of 350 mm is tested by this method. The obtained peak-to-valley (PV) and root-mean-square (RMS) values of the surface error after stitching are 0.433λ and 0.052λ (λis 632.8 nm), respectively. The reconstructed surface map is coincide with the entire surface map from null test, and the difference of PV and RMS errors between them are 0.031λ and 0.005λ, respectively.This stitching model provides another quantitive method for testing large aspheric surfaces besides null compensation.     

Testing a large aspheric surface based on analysis of scanning 3D interferogram

A new method based on new reconstruction algorithm and new interferogram fringe analysis was proposed for testing a large aspheric surface. In the testing process, firstly, the interferometer or the tested aspheric surface was shifted relatively for measurement of the whole aperture of the tested aspheric surface to obtain a series of interferograms. Then these interferograms were analyzed to extract the best matching point, where the annular sub-surface was tangent with the corresponding reference sphere of the reference wavefront. Finally, the wavefront aberration of the whole aperture was figured out to describe the deformation information of the tested surface. Without any additional null optical elements, this method can perform the measurement directly. So, this method provides an effective and convenient means of testing the large-aperture aspheric surface. The mathematical model of this method is described, and the results of simulation tests are presented to verify it.     

扫描型哈特曼检测装置研究

 在传统哈特曼检验法基础上研制成功一种扫描型哈特曼检测新装置,可对最大口径为300 mm的聚焦镜在全口径范围内进行采样测量。该检测装置由大口径标准平行光管、扫描式哈特曼光阑、被检聚焦镜、CCD摄像机及计算机组成,在水平和垂直两个径向上开有等间距排列且相互错开半个间距的小孔,并且在步进电机的驱动下绕光轴旋转,可对被检聚焦镜进行全口径连续采样。对有效口径为154 mm的斐索平面干涉仪非球面准直物镜的球差及焦斑能量集中度进行了测量,进而由球差计算得到了波像差,并用干涉法对该准直物镜进行了测量。球差的理论值与测量值最大偏差为14.6%;由新装置测量并计算得到的波像差PV值与干涉法测量并计算得到的PV值偏差为11.5%;实测的80％的能量集中在34 μm的范围内,而计算得到的８０％的能量集中在28 μm之内,最后对结果进行了分析并提出了进一步改进的意见。     

一种离轴计算全息图在凹非球面检测中的应用

为了精确检测大口径非球面面型质量,将CGH作为补偿器应用于凹非球面的离轴全息检测系统中.根据计算全息图的离轴全息检测系统检测凹非球面的基本原理,分析了离轴CGH的计算、制作过程,实现了对口径为150 mm,近轴半径为1499.7 mm,非球面系数为-1的凹非球面镜的检测.实验结果与轮廓仪检测结果吻合得很好.     

子孔径拼接技术在大口径高陡度非球面检测中的应用

 为了能够精确地完成对大口径高陡度非球面在细磨和抛光过程中的测量，提出了一种将子孔径拼接技术和补偿技术相结合的检测方法。介绍了该方法的基本原理，建立了合理的数学模型，编制了拼接计算软件。利用该方法对一外形尺寸为400 mm×300 mm的高次离轴非球面进行了测试，通过最小二乘法拟合消去各子孔径相对基准子孔径的调整误差以及整个系统的装调定位误差，得到了准确的全孔径面形分布。对实验精度和误差来源进行了分析，并将拼接面形与全孔径测量面形相对比，二者是一致的。     

Deflectometer with synthetically generated reference circle for aspheric surface testing

A deflectometer with a synthetically generated reference circle is proposed for aspheric surface testing. Rotation and translation movements are combined to realize laser scanning and make the measurement of the aspheric surface in polar coordinates. It effectively improves the measurement precision for aspheric surfaces with large relative aperture. The measuring equipment is calibrated using a defocused standard spherical surface, and it achieves a precision of λ/5–λ/10 (λ=0.6328 μm), which is close to the precision of the interferometric method (λ/20). This testing technique based on laser deflectometry is capable of measuring most kinds of aspheric surfaces, especially those with large asphericity and those of concave shapes. The feasibility of the technique is shown and experimental results are presented.     

子孔径拼接干涉检测离轴非球面研究

将子孔径拼接技术与干涉技术相结合提出了一种新的检测离轴非球面的方法,该方法无需其他辅助光学元件就可以实现对大口径、离轴非球面的测量.对其基本原理进行了分析和研究;并基于齐次坐标变换、最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;开发了子孔径拼接检测非球面的算法软件,并设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置;利用综合优...     

Designing a plano-convex aspheric lens for fiber optics collimator

A plano-convex aspheric lens is designed to collimate the emitted light of the fiber optics. In this paper even orders of general aspheres are used to describe the aspheric surfaces sag. To determine the aspheric coefficient, the even asphere polynomial are fitted on the computed sag data. The surface sag data is determined using genetic algorithm method. The surface sag was analyzed by the commercial optical software package ZEMAX. For typical fiber optics, the numerical aperture (NA) of 0.22 was assumed. With this specification, the expected output spot diagram of 20 mm and the maximum aperture of 25.4 mm have been obtained. A comparison between here presented lens and the similar type of conventional lens has been carried out; the proposed aspheric lens corrected the spherical aberration, which led to increase in the collimated distance.     

使用激光跟踪仪测量研磨阶段离轴非球面面形

为满足离轴非球面镜在光学检验前的面形检测需求,对使用激光跟踪仪测量离轴非球面的方法进行了研究。详细介绍了使用激光跟踪仪测量离轴非球面的检测步骤及数据处理方法。使用激光跟踪仪对一处于研磨阶段的口径为150 mm,顶点曲率半径为1200 mm,离轴量为240 mm的离轴抛物面镜进行了测量,进行了测量不确定度分析并与三坐标测量机的测量结果进行了比对。结果显示激光跟踪仪与三坐标测量机的面形测量峰谷值一致性优于1 μm。分析及实验结果表明此检测方法简单易行,灵活通用,适用于离轴非球面抛光前的面形检测。     

大口径连续相位板面形检测与评价

基于全局最小二乘拼接算法和图像融合算法建立了连续相位板（CPP）子孔径拼接检测算法,并根据全局相关匹配原理提出采用面形残差来评价CPP的加工面形。采用高精度动态干涉仪等设备建立了相应的检测系统,并针对430 mm430 mm口径CPP开展了数值模拟和检测实验。理论计算结果表明:系统计算误差为0.005 nm。实验结果表明,整个检测系统软硬件RMS误差小于5 nm,基本满足CPP面形检测要求。从而验证了CPP检测和评价的正确性和可行性。