正交狭缝扫描式激光光束质量测量方法研究

传统激光光束质量测量方法在CCD相机靶面前激光光路上加装可调衰减模块，对激光光束进行衰减。但该方法受限于CCD相机像元尺寸限制，难以进行高精度测量。为此该文提出了一种滚轮狭缝式激光光束质量评价方法，在测量时采用狭缝滚轮上的扫描狭缝直接扫描被测激光光束，使用InGaAs探测器配合聚焦透镜进行测量。经过与电机同轴的高精度增量式编码器确保采集位置与采集数据同步，扫描频率根据被测激光脉冲频率和光斑的直径范围可进行调整，该方法对光斑空间采样分辨率优于1 μm。实验结果表明，采用该方法测得的激光M2因子数值与被测激光器提供数值一致，测量不确定度小于10%。     

无衍射贝塞尔光束非球面透镜设计

提出一种可产生无衍射贝塞尔光束的非球面透镜-贝塞尔透镜,该透镜由球面和非球面组成,呈旋转对称结构。利用光学设计软件ZEMAX通过光线追迹法对贝塞尔透镜进行设计,在设计和优化过程中,将出射光线与光轴的夹角作为边界条件,二次曲线参量和高次项系数作为变量。结果表明:利用标准二次曲线加上第一个高次项就可以得到比较理想的优化结果,设计的非球面贝塞尔透镜可以产生具有贝塞尔光束特性的无衍射光束。     

非球面检测中最佳入射球面波和最佳参考球面波的确定

为了能够对非球面光学元件面型进行高精度的干涉检测,提出了一种确定最佳入射球面波和最佳参考球面波的新方法。该方法通过计算分析入射球面波与非球面反射波干涉条纹密度,确定最佳入射球面波的波源位置;通过计算分析在干涉图记录平面CCD上干涉条纹的密度,确定非球面检测时参考球面波波源的最佳位置。应用该理论与方法,不仅可明确非球面检测时CCD等光路元件选型的具体策略,而且可用于指导非球面检测调试过程,并能够通过对干涉图的深入分析,获得更多被测非球面的信息。     

非球面干涉测量方法的原理误差分析

在非球面干涉测量中,常用标准球面波作为测量光束,由于入射光线不垂直于被测表面,因此反射波面的波差并不能真实反映被测非球面与顶点球面的偏差,还会引起严重的测量误差。本文从理论上对这一误差进行分析和讨论。     

高精度高次非球面最接近球面计算方法

分析了高次非球面与其加工用最接近球面之间的几何关系特点,提出了一种基于1维搜索的高精度高次非球面最接近球面计算方法。该算法可以计算二次或高次凹（凸）非球面的加工用最接近球面半径、球心位置及非球面度。通过计算实例与现有计算最接近球面的方法相比,该算法在计算高次非球面时将最大非球面度从500.8 m减小到30.0 m,在计算二次非球面时计算结果与精确公式法得到的结果一致。计算实例表明该方法计算高次非球面时得到的最接近球面更优、计算精度更高,且适用于任意次非球面最接近球面的精确计算。     

光学系统球面偏心对成象位置的影响

如果光学系统全部表面的曲率中心位于同一直线上,即系统光轴上,那么包括折射或反射球面的光学系统,称为共轴光学系统。而且有两个球面的单一透镜若具有曲率中心不重合,则其光轴是完全可以测出的。光学系统中透镜的同心度是以其相应的定位来达到的。     

基于正交散焦光栅的1064 nm脉冲激光M~2因子测量

传统光束质量测量装置不能有效测量脉冲激光的M~2因子。为实时检测脉冲激光M~2因子,将正交散焦光栅和短焦透镜密接配合使用,同时测量待测光束9个不同位置处的光强分布,用二阶矩方法计算束宽,并经双曲线拟合得到被测光束的~2因子。根据高斯光束的薄透镜变换理论,分析了被测光束束腰宽度和束腰位置变化对测量精度的影响,得到了正交散焦光栅M~2因子测量系统对测量参数要求低、动态工作范围大等结论。实验测量了1064 nm Nd:YAG固体脉冲激光器单个脉冲的M~2因子、脉冲之间的M~2因子变化和光束M~2因子随电压的整体变化情况。结果表明此系统实现了对脉冲激光M~2因子的测量,并能实时检测激光工作过程中的M~2因子变化。     

标准球面透镜的几何特性与误差分析

标准球面透镜是斐索型干涉仪的核心器件，综述标准球面透镜的几何特性和误差。分析标准球面透镜在干涉照明光路和成像光路中的作用，重点介绍并实验验证了球面干涉成像的R-sinθ几何特性关系模型，给出了采用Q非球面实现非球面分裂的新型设计方法，以及2片式非球面标准球面透镜结构的实例，概述了针对小F数标准球面透镜球面干涉腔中的待测球面调整误差和移相空间非均匀性误差的研究成果，介绍了校正球面干涉腔中误差的波面差分算法，指出在近标准球面透镜焦点位置测量球面时的回程误差影响，从物像共轭关系角度解释了近焦点位置回程误差较大的原因，比对分析了标准球面透镜的透射波前与斜率对回程误差的影响。提出了在设计标准球面透镜时需注意的几何特性关系，以及使用标准球面透镜时易产生的误差和相应的抑制方法。     

非球面干涉定心方法研究

由于非球面光轴的唯一性,非球面定心工艺中需分别定义顶点偏心误差和球心偏心误差.通过估算顶点偏心在传统定心仪上的测量误差,可以发现传统定心仪很难达到控制目的,而干涉测量方法却能得到较高的准确度.理论推导和模拟计算表明：顶点偏心角与偏心彗差之间有线性关系,顶点偏心角的彗差灵敏度与非球面的陡度成正比.使用干涉检测的方法可以同时控制非球面的两种偏心误差,且其检测准确度可以达到0.02 mm.     

一种大面积高能激光光束参数的在线测量方法

 提出了一种大面积连续波高能激光光束参数的在线测量方法——环形光刀扫描测量法。该方法采用偏心安装的斜面环形光刀高速扫描反射，光电探测器阵列沿反射光圆周均匀布置探测，使得绝大部分被测激光沿原光路传播，只有少量取样光被反射到探测器阵列上。通过对采集得到的探测器响应信号进行空间映射计算和图像复原，得到激光束的光强分布参数。该方法可用于光束直径数百mm的高能激光光束测量，测量空间分辨率约2 mm，时间分辨率为30~50 ms。     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

大数值孔径、高次非球面透镜的加工与检验

通过一空间相机光学系统中某透镜的高次非球面表面加工过程,提出了一种基于小磨头数控光学表面成型技术(CCOS,Computercontrolopticalsurfacing)和非球面轮廓检验、零位补偿检验技术的中等口径高次非球面光学表面的加工、检测方法,并且给出了补偿器实际光学设计结果。文中采用这种方法加工的高次非球面表面,最终精度优于1λP V(λ=632.8nm),满足了设计要求。对这种技术的适用范围进行了简明的讨论。     

使用环形子孔径拼接检测大口径非球面镜

针对高精度大口径非球面镜通常存在定量检验方法(补偿器法、全息法、自准直法)所需要的辅助元件制造困难、成本高这两个主要难点,利用不同曲率半径的参考球面波前来匹配被测非球面表面不同的环带区域,使它们之间的偏离量减小到在小口径干涉仪的测量范围内,每次测量仅是被测表面的一部分,通过算法"拼接"可得到全孔径的面形信息。给出了其拼接数学模型、参量求解方法及其精度评定判据。仿真分析表明,该技术是切实可行的,算法具有较高的拼接精度。该方法无需辅助光学元件就可实现对大口径、大相对口径非球面的直接测量,且具有很宽的适用范围。     

Optical design for enhanced prism type fingerprint scanner image contrast with asymmetrical aspheric lens

The design of optical prism fingerprint scanner with aspheric lens is researched. We propose a modified structure for optical prism fingerprint scanner, which has an asymmetrical aspheric lens on the output plane. It is numerically shown under elliptic valley similar fingerprint model that the optical image qualities of such a scanner are better than the scanner with symmetrical aspheric lens. When the fingerprint range is 15 mm, the results show that the minimum image contrast is 0.49 for an optical prism with asymmetrical aspheric lens, much better than a symmetrical aspheric lens with 0.20. The relative illumination variation is from 0.62 to 1.00 for optical prism with asymmetrical aspheric lens, and for the symmetrical aspheric lens it is 0.35 to 1.00. We conclude that an optical prism with asymmetrical aspheric lens is better than an optical prism with symmetrical aspheric lens.     

有限距离的凸非球面的透镜补偿检验方法

在用刀口检验凸双曲面反射镜时,一般采用传统的Hindle球检测法,但是在许多仪器中,需要曲面反射镜全口径使用,因此,Hindle球检测法是不合适的。此外,在很多情况下,刀口到待检非球面的距离很长,从而降低了刀口检验精度。为了解决这些问题,结合口径Φ=120mm的凸双曲面的检测,在分析了传统检验方法的基础上,提出了有限距离球面波入射的凸非球面透射补偿检验方法。从设计结果上看,它缩短了刀口到待检非球面的距离,获得高精度补偿。实践表明,这种方法不仅能够提高加工效率,而且提高了加工精度,实际加工完成后,这块凸双曲面的RMS值达到了λ/60。     

中小口径双非球面数控抛光技术研究

针对口径Φ62 mm双凸非球面透镜,进行了数控研磨和抛光技术研究.提出了规范性的加工工艺流程,实现了中小口径双非球面元件的高效、快速抛光.根据计算机控制光学表面成型技术,采用全口径抛光和小抛头修抛的两步抛光法,在抛光中对其面形误差进行多次反馈补偿,使被加工零件表面的面形精度逐步收敛.最终两面的面形精度均小于0.5 μm,中心偏差小于0.01 mm,满足了光学系统中对非球面元件的精度要求,并且在保证有较高面形精度和较好表面光洁度的同时,解决了双非球面中心偏差和中心厚度难以控制的加工技术难题.     

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。     

大口径光学非球面轮廓测量过程可视化研究

研究了大口径非球面光学元件表面轮廓测量过程可视化,并设计、开发了基于双向链接边表的软件系统。提出一种改进的双向链接边表数据结构完成三维模型加载方法,建立数据结构及其相关图形元作为软件的基础层。计算非球面曲面方程获得表面轮廓的数据生成图形场景节点,并自动生成曲面测量轨迹。在非接触检测平台上进行测试,对测量数据进行平滑处理,拟合出测量获得的非球面面形,完成面形精度和表面粗糙度的评价。实验结果表明,该可视化系统技术路线正确高效、稳定性好,为非球面检测数据及其综合分析仿真提供直观的可视化平台。     

非球面数字波面检测技术

 提出了一种快速检测浅度非球面（非球面度小于0.01 mm）的方法,该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面,剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后,得到实际被测镜面的面形分布数据;根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据,得到理论波面数据,用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差,即面形误差。利用该方法测量了一口径为135 mm的双曲面,并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当,说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。     

激光束偏转法非球面面形测量和计算

提出了一种综合测量非球面面形的激光束偏转法 ,针对不同类型的非球面 ,共提出了三种方案 :平移法、转动法和平移转动法。该方法可测各种非球面 ,通用性强。并对激光束偏转法中对面形测量精度有极大影响的激光束反射角的测量作了重点介绍。实验结果显示 ,该方法测量精度达到λ/5～λ/10 ,接近干涉法的水平