光学加工工艺与设备

TQ171.65 2004064466 光学非球面二次曲面常数及顶点曲率的研究=Study of conic constant and paraxial radius of optical aspheric[刊,中]/程灏波(清华大学精仪系.北京(100084)),王英伟…∥光学技术.—2004,30(3).—311-313,317 基于二次曲面方程。推导出确定光学非球面二次曲面常数k以及顶点曲率半径r的一组算法,并在对一块口径为760mm×200mm标准非球面反射镜的实际测算中进行拟合。经过优化,拟合精度达到△k=0.015,△r=0.341mm,从而有效地控制了光学非球面制造过程中的顶点曲率及二次曲面常数的偏差。图3表3参3(严寒)     

CGQ-II车间数字干涉仪的几种特殊检测的应用

最近研制与改进的几台CQG II型车间数字干涉仪除应用于平面及球面的面形测量、获得面形误差PV、RMS或N、ΔN外 ,还可以广泛地应用于下列几种特殊的应用 :( 1)微型光学件的检测 :借助 φ60mm～φ15mm放大系统可以测量 φ1mm平面 ;( 2 )光学平行平面的透过波面畸变检测 ;( 3)棱镜角度及面形检测 ;( 4)非球面检测 :低陡度非球面、二次曲面及非球面准直系统 ;( 5 )衍射光检测 ;( 6)镜头的调制传递函数 (MTF)的检测 ;( 7)金属表面 (模具 )或镀反射膜光学件的检测。仪器的口径为 60mm ,平面精度为λ/2 0 ,球面精度为λ/10 ,λ =632 8nm ,对以上的应用均列举了生产实际应用或科研应用的实例。     

一种高效率小口径非球面数控抛光方法

自主设计研制的非球面数控抛光机采用气囊式抛光工具,可抛光100mm以下的非球面光学零件,针对口径35mm凹非球面透镜(顶点曲率半径R=-108.14mm的双曲面),研究了非球面的抛光工艺,并确定了相关工艺参数,抛光时间大约为20min,第二次次抛光后元件面形精度达到1.08μm,满足了该零件的使用要求。相对于现有设备美国Precitich公司的Microfinish 300型CNC非球面抛光机,该抛光设备实现了中等精度要求的小口径非球面元件的高效数控抛光。目前该抛光机已经成功地应用于某光学系统非球面零件的批量生产中。     

干涉法测量非球面顶点半径和二次常数

非球面顶点半径和二次常数干涉测量是对二次曲面离轴子孔径在弧矢、子午和中间焦点位置直接干涉测量,拟合得到初级像差系数,并结合化置差计算出顶点曲率半径和二次常数.详细介绍了该方法的基本原理,在此基础上将子孔径中心法线与光轴夹角分解为两个倾角分量α和β引入,改进了现有模型.提出在子孔径对称情况下,可通过调整、控制特定项的泽尼克系数值,消除β分量.进而对新的模型进行了简化,只考虑α分量的影响,给出了仅存在该分量时的非球面顶点半径和二次常数的计算公式,编写了仿真程序.在α=0.03 °,β=0时.直径100 mm,F数为3的抛物面反射镜离轴子孔径的初级像差系数的理论计算和数值仿真结果最大偏差仅为0.0002 λ.研究表明:在子孔径中心法线与光轴的调整存在一定误差时,在弧矢、子午和中间焦点处的初级像差系数特征关系仍然成立.     

碳化硅凸非球面反射镜的加工与检测

为了满足凸非球面反射镜加工中的全频段质量控制及光学参数的高精度检验,提出了应用双摆轴极坐标快速非球面加工技术及测杆法控制Hindle法检测光学参数。首先,描述了双摆轴极坐标快速非球面加工技术及设备;然后,介绍了应用测杆法控制Hindle检测法中标准球面镜顶点分别与被检非球面镜顶点及其焦点的光学间隔,并对其控制精度进行了分析;最后,针对Φ158mm的凸非球面,给出了双摆轴加工的检验结果,并对检测精度进行了分析。实验结果表明：应用双摆轴加工工艺在使低频误差快速收敛的同时,可以有效抑制中频误差,其低频误差的控制精度可以稳定地达到λ/30（λ=633 nm）;应用测杆装调Hindle检测光路的控制极限误差为±0.065 mm,两个光学间隔参数的公差分别为±0.22 mm和±0.30 mm。应用双摆轴加工技术实现了凸非球面的快速加工与全频段质量控制,采用Hindle检测凸非球面得到面形精度为0.022λ（RMS,@633 nm）,满足光学设计技术指标要求。     

Φ520mmF/1.6椭球面反射镜加工

介绍了一块Φ520mm大相对孔径(F/1.6)轻量化椭球面反射镜的加工与检测方法。镜面的有效口径为Φ502mm,顶点曲率半径为1600mm,非球面系数k=-0.9663,面形精度要求优于0.025λ(RMS)。镜子背面有54个大小深浅不一的不通孔,用于减轻镜子的重量。采用WYKO干涉仪检测得到镜面面形误差达RMS0.02λ,λ=632.8nm。     

轴对称二次非球面镜面几何参数的算法

在现代的空间光学遥感器中,越来越多地使用二次非球面光学元件代替以往的球面光学元件,消除球面镜不能消除的像差。二次非球面的几何参数包括其顶点曲率半径和非球面系数,它们对相机的性能有着重要的影响。三座标仪的使用使得二次非球面几何参数的测量变得方便快捷。在三坐标测量数据基础上,给出了一种新型的二次非球面几何参数计算方法,通过采集座标点、寻找旋转轴、计算法线像差等步骤求解出顶点曲率半径和非球面系数。通过仿真分析和实验验证,顶点曲率半径的计算精度可达0.01%,非球面系数的精度可达0.0002。     

非球面元件精密铣磨加工技术研究

通过对Φ42 mm和Φ82 mm口径非球面光学零件精密铣磨成型过程的加工特点和加工误差因素的分析,在工艺中引入刀具与工件变形、刀具半径误差等因素,结合经典Hertz接触理论建立了刀具与工件变形量及刀具半径误差和补偿理论模型,并且应用在精密铣磨成型过程中,通过实验,Φ42 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.91μm,RMS值达到0.288μm;Φ82 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.60μm,RMS值达到0.385μm,完全满足加工精度要求,加工时间节省了50%以上。实验验证了理论分析及误差补偿方法的正确性,实现了精密光学非球面元件的快速精密铣磨成型加工。     

郎奇法检测大口径光学非球面镜

提出了一种用朗奇法定量检测大口径非球面的新技术。主要以大口径非球面镜的加工表面为研究对象,设计了大口径非球面检测系统,该系统由CCD摄像机、He-Ne激光器、郎奇光栅、微型计算机等组成。并利用大口径非球面检测系统对一个顶点曲率半径为1638．69mm,被测曲面半通光口径为315mm的光学元件的面形进行了实际测量,给出了光学元件标准偏差和峰谷值测量结果。最后对测量结果进行了讨论。研究结果表明：基于郎奇法的几何原理,利用CCD摄像系统定量检测大口径非球面的方法具有较高的精度。     

CCD摄像机大视场光学镜头的设计

为提高CCD摄像机的成像质量，同时使镜头结构紧凑、小型化，在大视场光学镜头的设计中，引入标准二次曲面和偶次非球面。根据初级像差理论，分析了非球面的位置、初始结构参数的求解规律。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长为0.4～0.7μm、全视场角为80°，相对孔径为1∶1.5的镜头设计实例。该镜头由7块镜片组成，包括一个标准二次曲面和两个8次方非球面；在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.85，全视场畸变小于3％，像质优良     

Fourth order correction to a paraxial Gaussian beam in a rotationally symmetric system of non-spherical surfaces

We formulate the fourth order correction to a paraxial Gaussian beam propagating through a non-spherical surface system that is rotationally symmetric. First we represent the Gaussian beam by a complex-source-point spherical wave (CSPSW). Next we examine the evolution of the CSPSW through the non-spherical surface system by applying a Fresnel–Kirchhoff diffraction integral. We find a ray-optical solution to the diffraction integral in terms of both the conic constant and the aspheric coefficient of fourth order. Then we numerically evaluate the quality factor of the fourth order-corrected beam propagating through either an aspheric mirror or a thin lens made up of two non-spherical surfaces. The fourth order formulas derived here can be useful in determining the quality factor of the Gaussian beam degraded by a rotationally symmetric system of non-spherical surfaces.     

用粒子群算法进行单个非球面透镜的球差校正

为设计出符合球差要求的单个非球面透镜,把粒子群算法应用到单个非球面透镜的球差校正中,构造相应的数学模型,并编程实现算法.设计关于非球面高次多项式的顶点曲率半径,高次多项式各项系数,透镜面之间的距离和玻璃折射率等光学系统结构参数的适应度函数,用这个函数作为评价函数,实现对球差的自动校正.给出用粒子群算法进行单个非球面透镜设计的实例,结果证明:粒子群算法用于非球面透镜的球差校正简单有效,能同时校正不同入射高处的球差,且容易发现一系列好的设计结果.从实际光学设计角度呈现使用这种方法进行单个非球面透镜的自动设计分析.     

A feasible injection molding technique for the manufacturing of large diameter aspheric plastic lenses

A computer aided engineering (CAE) tool-assisted technique, using Moldex3D and aspheric analysis utility (AAU) software in a polycarbonate injection molding design, is proposed to manufacture large diameter aspheric plastic lenses. An experiment is conducted to verify the applicability/feasibility of the proposed technique. Using the preceding two software tools, these crucial process parameters associated with the surface profile errors and birefringence of a molded lens can be attainable. The strategy adopted here is to use the actual quantity of shrinkage after an injection molding trial of an aspherical plastic lens as a reference to perform the core shaping job while keeping the coefficients of aspheric surface, radius, and conic constant unchanged. The design philosophy is characterized by using the CAE tool as a guideline to pursue the best symmetry condition, followed by injection molding trials, to accelerate a product’s developmental time. The advantages are less design complexity and shorter developmental time for a product.     

Aberration correction of a single aspheric lens with particle swarm algorithm

In order to design a single aspheric lens to meet the requirements of spherical aberration, the particle swarm algorithm is applied to the aberration correction for a single aspheric lens. A mathematical model is constructed, and a program code is developed. Merit functions in an optical system are employed as fitness functions, which combined coefficients of a higher order polynomial equation, a reciprocal of radius of curvature, the conic constant, thicknesses among lens surfaces and refractive indices regarding an optical system. By using this function, the automatic correction of spherical aberration is carried out. The example for a single aspheric lens design using particle swarm algorithm shows that PSO as a tool of the spherical aberration correction for a single aspheric lens is simple and effective, and easy to find a series of good design results. The asphere's more complex surface profile can reduce or eliminate easily spherical aberration at different incidence heights at one time. The automatic design and analysis of a single aspheric lens using this method from the view of a particular optical design problem are presented.     

高精度非回转对称非球面加工方法研究

本文提出一种高精度非回转对称非球面加工方法。首先,通过范成法铣磨出非回转对称非球面的最佳拟合球;然后,利用古典抛光修正小磨头确定抛光难以修正的中频误差;最后,利用高精度气囊抛光设备(IRP)精确对位精修面形,在不引入额外中频误差条件下,通过高精度对位检测技术实现非回转对称非球面高精度加工。将该方法应用于定点曲率半径为970.737 mm、k=-1、口径为106 mm三次非球面加工,降低了加工难度,提高了加工精度,面形误差收敛到1/30λ(RMS)。实验结果验证了本文加工方法的正确性和可行性,对高精度非回转对称非球面加工具有一定的指导意义。     

透射凸二次非球面检验方法的研究

透射凸二次非球面具有自消球差的能力。只要像距、物距、材料的折射率及二次曲面系数之间满足一定的条件 ,则物点与像点就具有消球差的成像关系。研究了二次非球面系数e2 值与成像放大率 β 的关系 ,目的在于为透射凸二次非球面的检验找到普遍适用的范围。实例计算和实际的应用表明 ,对于中小口径的凸非球面来说 ,透射补偿法是比较实用的检验方法 ,特别是此种方法可以检验一些凸的扁球面。