渐进多焦点眼用镜片的子午线设计研究

介绍渐进多焦点眼用镜片的构造,论述镜片的设计思想,阐述渐进多焦点眼用镜片子午线设计的基本原理,构建子午线多项式,给出子午线设计需满足的准则.在子午线设计的基础上,设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线,确定镜片面形,并求出镜片平均球面度与像散.比较3种不同子午线设计的渐进多焦点眼用镜片,并进行实际加工与检测.研究结果表明,子午线设计是渐进多焦点眼用镜片设计的关键之一,不同的子午线屈光度分布,对应的渐进多焦点眼用镜片的球面度、像散以及畸变等差别较大.依据实际设计与检测结果,给出适用于不同个性化需求的渐进多焦点眼用镜片子午线屈光度分布的规律.     

渐进多焦点镜片面形误差与光焦度关系的分析

渐进多焦点眼镜片能够同时满足视远与视近的需求,其应用日益广泛.本文介绍了渐进多焦点镜片的设计与评价方法,在此基础上通过对镜片面形方程及球面度方程求解偏微分,构建了渐进多焦点镜片光焦度分布与面形误差的关系模型.根据国家标准规定的镜片有效区域实际屈光度与名义值差值小于0.1 D的要求,对加光度为2.0D(6.0D8.0D)的渐进面面形误差进行了实例分析.应用给定的面形误差结果进行实验加工的镜片,经分析后实验输出的光焦度变化符合所设定的国家标准要求的范围,进一步验证了面形误差与光焦度分布关系模型的正确性,为渐进多焦点镜片加工的面形控制精度提供理论依据.     

基于圆锥曲线参数方程的渐进多焦点镜片设计

在渐进多焦点镜片（PAL）的直接设计法中,光焦度轮廓分布对镜片的光学性能至关重要。在子午线上同一曲率变化的基础上,引入不同圆锥曲线方程来描述镜片光焦度轮廓分布。利用椭圆、双曲线、抛物线和圆的定义设定镜片内表面子午线上每个点曲线的离心率以及开口大小。根据圆锥曲线分布情况加入偏移量,实现远近视区视配点可视区宽度调整。设计、仿真和加工了4块镜片。结果表明,基于双曲线方程计算得到的渐进多焦点镜片的周边最大像散大于1倍加光度（ADD）,而基于椭圆方程、圆方程和抛物线方程计算得到的渐进多焦点镜片周边最大像散小于1倍ADD,光学性能更好。当定焦区较大时,基于椭圆方程设计得到的镜片定焦点可视区宽度最接近理论值;当定焦区较小时,基于圆方程设计得到的镜片定焦点可视区宽度最接近理论值。所提方法可为渐进多焦点镜片的优化设计提供新的方案。     

渐进环焦自由曲面镜片设计

提出一种渐进环焦自由曲面镜片设计,从周边离焦防控及光焦度渐变的角度出发构建一个多焦点镜片。在镜片的中心部位形成有一个圆形的中心定焦区,在外周形成多个环形的周边定焦区,镜片的光焦度沿着镜片子午线及镜片水平轴按设定的光焦度高阶多项式从内至外渐变;依据相邻定焦区边缘点切平面重合的原则,由内至外依序计算各个定焦区后表面上所有点的矢高,再根据所有定焦区后表面的所有点的矢高数据生成镜片后表面。与传统非球面镜片仿真结果对比,表明渐进环焦自由曲面镜片光焦度和散光符合理论设计要求,符合正常人眼在看物体时眼球的调节功能,镜片边缘也较薄,镜片的棱镜度也较小。设计为渐进多焦点自由曲面镜片提供了一种新的途径。     

离子束作用下的光学表面粗糙度演变研究

 为了获得超光滑光学表面,介绍了离子束作用下改善表面粗糙度的抛光方法,并通过相关的实验进行了验证。光学材料是典型的硬脆材料,在加工过程中的表面粗糙度要经历复杂的演变过程。离子束加工作为光学镜面加工中的最后一道工序,如果在修正面形的同时,能够有效地改善表面粗糙度,那么离子束加工的性能就可以得到更好的延伸。分析了离子束作用下的粗糙度演变机理,在此基础上提出了倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术2种改善表面粗糙度的方法,并使用原子力显微镜进行了测量。实验结果表明：以45°倾斜入射抛光熔石英样件,其粗糙度由初始的0.67nm RMS减小到0.38nm RMS;涂上牺牲层的材料表面粗糙度由0.81nm RMS减小到0.28nm RMS,倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术能够有效地改善表面粗糙度。     

渐进多焦点眼用镜片的主曲率差优化设计方法

阐述了渐进多焦点眼用镜片的矢高分布设计原理,提出了一种利用调节主曲率差对平均曲率影响进行渐进多焦点眼用镜片优化设计的方法。比较设计和实际加工镜片优化前后的效果,优化前后镜片有效视区球光度保持不变,优化后镜片渐进通道最窄处宽度增加了0.7mm,视近区有效视觉面积明显增大,最大散光度略有减小。结果表明,提出的主曲率差优化设计方法对渐进多焦点眼用镜片的设计加工有实用价值。     

基于权重函数优化的渐进多焦点镜片设计

探究渐进多焦点镜片间接法设计中权重函数和平均曲率分布对镜片光焦度和像散的影响。设计了两组权重函数分布以及平均曲率分布,提出了根据符合度矩阵重置镜片权重分布的优化方法。在相同参数下计算出5组具有不同权重函数和平均曲率分布的渐进多焦点自由曲面面型。对镜片进行加工和评价测量,实验结果表明：权重函数的形状、面积以及权重值的不同,可对镜片光学性能带来不同方面的优化,且权重函数和平均曲率分布共同影响镜片的光焦度和像散分布。     

渐进多焦点镜片光学系统MTF评价的仿真分析

针对渐进多焦点镜片的评价问题,提出了利用像质评价参数MTF对渐进多焦点镜片进行客观评价,通过对镜-眼联合光学系统的MTF理论仿真分析来评价渐进多焦点镜片的成像质量。考虑了人眼在实际视物时须有一定的转动角度与实际佩戴镜片的2个特征:镜面角与倾斜角,将装配镜片时的倾斜角与镜面角设定为0～10°;将人眼视物时的转动角度,在戴镜的情况下设定为±20°,表现为视远区、过渡区与视近区;将人眼视物时的清晰成像的较大视场设定为±5°。利用光学设计软件对6只渐近多焦点镜片中的6个典型区域进行分析,结果表明:像散主要由子午光束与弧矢光束没有汇聚在一个点上造成的,而渐进多焦点镜片的焦点呈渐进变化,其表面为非旋转对称的复杂表面,镜片的像散不同,其改变佩戴角度后会对成像质量造成一定影响。佩戴角度中的倾斜角对镜片MTF值的影响比镜面角对镜片MTF值的影响大。实际佩戴角度在不同视场下会对渐进多焦点镜片的成像质量造成一定的影响,利用像质评价参数MTF来评价渐进多焦点镜片时应将其考虑在内。     

渐进多焦点眼用镜片的加工制造

以渐进多焦点镜片的加工为实例,阐述了采用CNC雕刻机(En3d)加工自由曲面光学元件的加工工艺,利用TRACEPRO软件宏语言将点阵数据生成非均匀有理B样条自由曲面,运用精雕机的JDPaint软件生成刀具路径,对自由曲面光学元件进行加工制造.利用自由曲面面形测量仪对加工完成的渐进多焦点镜片进行光焦度分布和散光分布的面形分析.实验结果表明:采用CNC雕刻机加工自由曲面光学元件的加工工艺简单,操作方便,并且加工后的渐进多焦点镜片面形符合设计要求.     

金刚石车削表面微纳织构的气囊抛光改进

单点金刚石车削技术被广泛应用于光学表面的超精密加工。然而,车削表面固有的周期性残留刀痕结构将增强表面散射效应,恶化元件光学性能。为了抑制散射以获得高质量光学表面,采用气囊抛光技术主动改变车削表面周期性刀痕结构。基于Taguchi正交试验,以表面粗糙度及功率谱密度的改善率为设计指标,分析获得了最优抛光参数。采用该最优参数对一精车表面进行了抛光试验,抛光后表面粗糙度Ra由3.81 nm降到1.42 nm,各空间频率功率谱密度大幅降低,同时表面的衍射条纹消失。试验结果验证了所采用的抛光及相应优化方法的有效性,具有重要的工程应用价值。     

利用功率谱密度评价离子束抛光光学元件表面粗糙度

利用功率谱密度(PSD)评价光学表面粗糙度具有传统评价手段(Ra)所不具备的优势。给出了功率谱密度的计算方法,以及抽样方向与一维PSD曲线的关系。在离子束抛光K9玻璃实验中引入PSD曲线,以评价抛光光学零件的光学表面粗糙度,结合PSD曲线与Ra值能够更全面的指导光学加工。     

铝合金表面的直接光学抛光实验

单点金刚石车削铝合金表面具有较好的表面质量和精度,但车削纹路会产生散射现象,难以满足高品质光学系统要求。对铝合金表面进行直接光学抛光可以去掉表面产生的车削纹路,提高反射表面的光学性能,分析酸性条件下和碱性条件下的铝镜抛光原理,采用新型抛光盘与抛光液对单点金刚石车削后铝合金表面进行抛光实验。实验结果表明:通过合理控制工艺参数,能够消除铝合金表面残留的周期性车削刀纹,并且不会产生新的表面划痕,得到较好的铝镜光学表面质量,测得的铝镜表面粗糙度Ra=2.6 nm。     

车削零件表面粗糙度图像法检测优选方法

为实现对车削零件表面粗糙度检测,提出一种基于机器视觉表面粗糙度检测图像处理的新方法。该方法先按相应算法对所采集图像剔出受光衍射影响严重区域,然后再按其灰度分布情况进行区域优化,获得的图像灰度特征参数能反映表面粗糙度量值的有效特征区域。用该方法对表面粗糙度Ra标称值为0.8 μm~12.5 μm的五种车削样件测试,处理后图像灰度的均值、方差、能量和熵等特征参数与Ra标称值单调关系显著,各特征曲线的非线性误差均在1.5%以内。对比实验显示,这种特征提取和区域优化方法可应用于表面粗糙度的区分与检测。     

永磁流变抛光纳米精度非球面技术研究

利用永磁流变抛光技术制造高精度光学元件是一项极具前景的超精密制造技术。对一台五轴联动磁流变数控抛光系统的结构特点、功能特色及关键部件的设计进行了阐述。在此基础上,结合装置开展基础试验,对磁流变抛光过程中的主要控制参量如抛光轮下压量、抛光轮速度等对材料去除特性的影响进行了研究。开展了磁流变抛光对提高工件(K9玻璃)表面粗糙度效果的抛光试验,结果证明该套系统具有良好的磁流变抛光特性,抛光23min后工件表面粗糙度降低到0 6739nm。     

超光滑表面加工方法的新进展

通过回顾超光滑表面加工技术的发展历程,对多种具有代表性的超光滑表面加工方法的原理和应用作了简单阐述,并重点提出和介绍了一种大气等离子体抛光方法。该方法实现了利用常压等离子体激发化学反应来完成超光滑表面的无损伤抛光加工,并首次引入电容耦合式炬型等离子体源,为高质量光学表面的加工提供了一条新的途径。试验结果表明,在针对单晶硅的加工过程中实现了1μm/min的加工速率和Ra 0.6nm的表面粗糙度。     

纳米级面形精度光学平面镜加工

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。     

超光滑加工的后置处理算法研究

为了精确控制超光滑加工过程中磨头的运动轨迹,从而实现光学元件材料去除的均匀稳定,研究了超光滑加工的后置处理算法。分析了超光滑加工工艺的特点和相应的超光滑机床的机械结构,建立了机床的坐标系统,构造了机床的运动学模型。对于光学元件母线为任意平面曲线的情况,研究了磨头运动轨迹的等误差直线逼近算法。在曲率半径为290mm,相对口径为1∶2.9的凹球面上进行了超光滑加工实验。结果表明,利用所述算法可以精确地控制磨头的运动轨迹,从而保证材料去除的稳定性。     

拉曼光谱分析青铜器本体中锈蚀产物

青铜器锈蚀研究能够揭示出青铜器腐蚀机理,为制定科学的保护措施提供重要的参考资料。目前,青铜器锈蚀研究主要从其外部锈蚀产物入手,通过锈蚀组成结构分析,探讨其腐蚀机理。本文选择了保存较好青铜器本体样品进行了内部锈蚀情况研究。首先采用金相制备技术,通过打磨、抛光和超声清洗处理后,制备了断面相组织形态清晰的24件秦早期青铜器青铜本体样品。然后利用共聚焦显微拉曼光谱仪对样品夹杂物进行了光谱学研究,发现其物相为PbCO₃和PbO及Cu₂O,都属于常见的青铜合金腐蚀产物。样品金相组织中圆形或者大面积无规则亮灰色区域为Cu₂O,反映出青铜器表面不仅易于形成一定厚度Cu₂O锈蚀层,在相界之间也容易发生氧化反应生成Cu₂O,存在合金内部和外部同时发生腐蚀生成赤铜矿锈蚀的情况。此外,拉曼光谱分析显示黑灰色物质主要为铅腐蚀产物——PbCO₃和PbO,反映出铅元素的腐蚀过程：Pb→PbO→PbCO₃。在铸造态青铜合金组织中,铅一般呈近圆形颗粒状态分布在相界之间。青铜器内部分布的铅颗粒在土壤埋藏环境中会发生氧化反应生成PbO,再与地下水中溶解的CO2-₃发生化学反应生成比较稳定的PbCO₃。结果表明：外界腐蚀因素(水、溶解氧和碳酸根等)能够通过合金中相界间通道进入青铜器内部,在相界表面逐步发生反应形成以金属氧化物为主的腐蚀产物。     

LiNbO3芯片的无损边缘抛光实验

以抛光垫抛光工艺为基础,研究出一套完整的新型无损边缘抛光工艺,成功实现了高精度光纤陀螺集成光学调制器LiNbO3芯片边缘的无损抛光。即在分析LiNbO3芯片边缘抛光过程中棱边损伤产生原因的基础上,提出3条解决措施:控制研抛浆料中的大颗粒;选择低亚表面损伤的抛光方式;抛光颗粒的大小接近或小于临界切削深度的2倍。加工工件棱边在1 500显微镜下观察无可见缺陷,芯片端面的表面粗糙度Ra0.8 nm,表面平面度优于/2,满足了LiNbO3芯片无损边缘抛光要求。同时,该工艺方法具有较大的推广应用价值。     

Nanosecond UV laser damage and ablation from fluoride crystals polished by different techniques

Ablation thresholds and damage behavior of cleaved and polished surfaces of CaF₂, BaF₂, LiF and MgF₂ subjected to single-shot irradiation with 248 nm/14 ns laser pulses have been investigated using the photoacoustic mirage technique and scanning electron microscopy. For CaF₂, standard polishing yields an ablation threshold of typically 20 J/cm². When the surface is polished chemo-mechanically, the threshold can be raised to 43 J/cm², while polishing by diamond turning leads to intermediate values around 30 J/cm². Cleaved surfaces possess no well-defined damage threshold. When comparing different fluoride surfaces prepared by diamond turning it is found that the damage resistivity roughly scales with the band gap. We find an ablation threshold of 40 J/cm² for diamond turned LiF while the MgF₂ surface can withstand a fluence of more than 60 J/cm² without damage. The damage topography of conventionally polished surfaces shows flaky ablation across the laser-heated area with cracks along the cleavage planes. No ablation is observed in the case of chemo- mechanical polishing; only a few cracks appear. Diamond turned surfaces show small optical absorption but mostly cracks and ablation of flakes and, in some cases, severe damage in the form of craters larger than the irradiated area. The origin of such different damage behavior is discussed.