基于超精密机床的光学自由曲面原位测量方法

原位测量是提高光学自由曲面面形精度的重要手段,对于提高加工效率、实现加工过程自动化具有重要意义。由于面形的复杂性,光学自由曲面原位测量一直是超精密测量领域的难题。提出了一种基于超精密机床的光学自由曲面原位测量方法,测量系统由LVDT气浮式传感器、红宝石探针和数据采集部件组成,采用螺旋线方式进行加工及测量路径的设计,通过运动控制接口实现机床坐标和测量数据的实时同步采集,快速精确地获取测量数据。实验结果表明,所加工的双正弦自由曲面的面形误差在±0.5μm范围内。     

基于微分方程数值解的自由曲面透镜的设计

为满足目标面上均匀照明的需求,设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点,结合光学成像的特性,非成像光学原理和能量守恒定理,推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程,采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点,对离散坐标点拟合后得到透镜模型,通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明,配光角度为80°的透镜,透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时,目标面上的照度均匀性大于0.9,光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜,而且透镜结构紧凑,单颗就能实现均匀照明,有利于LED光源照明系统的小型化。     

基于光学偏折的微小透镜双曲面同步测量

针对自由曲面微小透镜检测中无法同时高精度检测前后表面的问题，提出一种基于光学偏折的微小透镜前后曲面同步测量方法。该方法基于高精度的透射波前检测系统建立理想光线追迹模型，并在利用光学偏折高精度测得的含有被测微小透镜面形信息的透射波前像差基础上，以被测微小透镜的前后两个曲面为优化变量，进行数值迭代优化求解，最终基于优化结果重构出被测微小透镜各表面面形误差。对所提出的面形测量方法进行仿真与实验验证，并通过Zygo干涉仪进行比对实验，结果显示对于口径为6 mm的微小透镜，所提方法的检测结果与比对实验的检测结果高度一致，面形偏差的均方根误差值仅为几十纳米。     

光学自由曲面测量与误差评估技术研究进展

光学自由曲面是现代精密光学领域的重大变革,因其优异的光学、力学性能而有望进一步推进光学系统实现微型化、轻量化、集成化。随着光学自由曲面的面形复杂度不断提升,光学自由曲面的检测技术已成为制约其制造水平的关键因素。回顾了近年来光学自由曲面测量与误差评估的关键技术,包括点线式扫描、全口径光学测量方法以及面形误差评估方法,结合各种技术的优缺点,展望了该领域未来发展的新趋势,并介绍了一种结合多传感器实现共体自由曲面的测量及误差评估的新方法。     

用于固态照明的自由曲面微透镜设计

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.     

基于并行小波变换的快速三维面形测量技术

为了提高小波变换三维面形测量技术中相位信息的解调速度,依据不同的并行计算原理,提出两种基于并行一维连续小波变换的光学条纹图快速解调方法。利用多核CPU运算平台进行了计算机模拟和实验,结果表明并行一维连续小波变换光学条纹图相位解调方法相比于串行一维连续小波变换光学条纹图相位解调方法,在精度不变的同时计算速度显著提高:对850pixel×1000pixel大小实测条纹图像解调速度提高了7.5倍。并行一维连续小波变换相位解调方法为小波变换三维面形测量技术在实时/瞬态过程三维面形测量中的应用奠定了基础。     

基于波前传感法的立方相位板面形测量

针对立方相位板的曲面特征,基于波前传感方法设计了面形测量系统。提出了波前数据到曲面面形的映射模型,借助图像处理方法有效地提高了测量的动态范围,实现了较大曲率的立方相位板面形精度的超精密测量。仿真分析表明,该模型的转换精度同传统算法相比提高了2~3倍,测量的动态范围提高了4倍,且仍有提高空间。最后搭建的实验系统实现了实际立方相位板面形的测量,通过与Wyko白光干涉仪的测量数据对比,验证了测量的准确性。     

激光非接触曲面面形传感器

提出一种用于空间自由曲面测量的激光非接触曲面面形传感器。该传感器结构简单，在光学原理上传感器的输出量与被测量成线性关系，接收物镜绕系统光轴３６０°接收目标面的漫射光，目标面的倾斜产生的影响很小，解决了困扰空间自由曲面测量中阴影效应、倾斜等问题。该传感器的测量范围为４ｍｍ，分辨率为２μｍ，当目标面（漫反射面和金属等镜面反射面）倾斜角为±８５°时，仍能保证２０μｍ的测量精度。     

基于计算全息的光学自由曲面测量不确定度分析

光学自由曲面元件如离轴非球面等在现代光学系统中起到了越来越重要的作用。计算全息元件(CGH)可产生任意形状的波前,能够很好地应用在光学自由曲面的零位补偿干涉测量中。针对一离轴椭球面为测量样品,以光学计量领域比较成熟的Offner补偿器法,测量离轴非球面母镜的面形偏差,进而获得离轴椭球面的面形偏差;再将离轴椭球面通过旋转平移,作为自由曲面元件,在平面基板上设计CGH对其进行零位补偿测量,研究零位补偿CGH的误差传递数据。通过主要原理误差分析与计算,在光学熔石英平面基底上制作零位补偿CGH,测量不确定度达到λ/10[峰谷(PV)值,λ=0.6328μm],满足光学自由曲面元件的高精度检测要求。     

光学自由曲面面形检测方法进展与展望

光学自由曲面具有强大的矫正像差和优化系统结构的能力,被誉为现代光学系统的变革性元件。但是,自由曲面面形过于复杂,其高精度检测存在巨大的难度,这限制了自由曲面面形的制造水平,其大规模应用也受到限制。目前,光学自由曲面的检测技术主要是从非球面检测技术发展而来的。回顾了近年来光学自由曲面检测方法的发展历程,着重分析了几种典型的检测方法及其特点,并展望了自由曲面检测技术的未来发展趋势。     

Novel method for high accuracy figure measurement of optical flat

Phase Measuring Deflectometry (PMD) is a non-contact, high dynamic-range and full-field metrology which becomes a serious competitor to interferometry. However, the accuracy of deflectometry metrology is strongly influenced by the level of the calibrations, including test geometry, imaging pin-hole camera and digital display. In this paper, we propose a novel method that can measure optical flat surface figure to a high accuracy. We first calibrate the camera using a checker pattern shown on a LCD display at six different orientations, and the last orientation is aligned at the same position as the test optical flat. By using this method, lens distortions and the mapping relationship between the CCD pixels and the subaperture coordinates on the test optical flat can be determined at the same time. To further reduce the influence of the calibration errors on measurements, a reference optical flat with a high quality surface is measured, and then the system errors in our PMD setup can be eliminated by subtracting the figure of the reference flat from the figure of the test flat. Although any expensive coordinates measuring machine, such as laser tracker and coordinates measuring machine are not applied in our measurement, our experimental results of optical flat figure from low to high order aberrations still show a good agreement with that from the Fizeau interferometer.     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

测角系统及其可靠性对GJ—341小型遥控光电经纬仪测量精度的影响

测角系统的精度及其可靠性直接影响光电经纬仪的测量精度。GJ－341小型遥控光电经纬仪的测角系统采用19位增量式编码器,理论上达到了要求。但由于测角系统及其可靠性存在诸多问题,使其在实际使用中无法满足GJ－341小型遥控光电经纬仪测角精度的要求。本文分析测角系统及其可靠性对GJ－341小型遥控光电经纬仪测量精度的影响。     

用塞曼双频激光器作光源的一种新颖长扫描表面的仪器设计

本文报道一套光学结构用于同步辐射反射镜表面轮廓高精度大面积的测量。采用了光学外差测量与接收技术,以伺服聚焦双折射透镜组分离“o”光与“e”光的聚焦区域,并再共轴组合比较其相位差,从而获得表面起伏的误差值。线性运动的测量工作台使镜面可测量范围从数微米到一米,而最小起伏量及曲率可达很高的测量精度。     

“宋”望远镜夏克哈特曼光学系统设计

根据中国宋标准节点望远镜系统要求,设计了用于望远镜波前误差测量的夏克哈特曼（S-H）传感器光学系统。从望远镜衍射极限成像和观测星等要求出发,对S-H的采样点数选取和波面重建精度进行分析计算,根据所选微透镜阵列和宋望远镜光学参数进行S-H准直镜的消像差设计,采用两组双胶合透镜实现了480 nm~680 nm波长范围的系统衍射极限成像。设计的系统能够实现6等星的目标测量,测量精度0.05。根据设计结果搭建了实验系统,对主镜初始状态和校正之后的波前误差进行了测量,并将S-H测量结果与4D干涉仪测量结果进行了比较。实验结果表明:所设计S-H系统测量精度0.008 m（RMS）,能够满足宋望远镜的技术要求。     

“宋”望远镜夏克哈特曼光学系统设计

 根据中国“宋”标准节点望远镜系统要求,设计了用于望远镜波前误差测量的夏克哈特曼（S-H）传感器光学系统。从望远镜衍射极限成像和观测星等要求出发,对S-H的采样点数选取和波面重建精度进行分析计算,根据所选微透镜阵列和“宋”望远镜光学参数进行S-H准直镜的消像差设计,采用两组双胶合透镜实现了480 nm~680 nm波长范围的系统衍射极限成像。设计的系统能够实现6等星的目标测量,测量精度0.05"。根据设计结果搭建了实验系统,对主镜初始状态和校正之后的波前误差进行了测量,并将S-H测量结果与4D干涉仪测量结果进行了比较。实验结果表明：所设计S-H系统测量精度0.008 μm（RMS）,能够满足“宋”望远镜的技术要求。     

应用CCD的投影物镜调制传递函数测量系统

调制传递函数是评价光学成像系统成像质量的重要方法,因而测量光学系统的调制传递函数在各种成像光学系统生产实践中具有相当重要的作用。但是长期以来,投影显示设备的生产中缺少能够定量的检测投影物镜性能的标准化方法。根据线性系统和傅里叶变换的理论,结合液晶投影机投影物镜生产、检测的实际需要,提出了应用CCD图像采集系统的投影物镜调制传递函数测量方法,为生产实践提供了可行的定量判断投影物镜性能的手段。给出了实际物镜的检测结果,并与物镜的设计参量进行了比较,同时对影响系统测量精度的一些因素进行了分析。     

电机补偿式焦度仪镜片参数的计算

针对目前市场上测量眼镜片相关参数全自动焦度仪测量范围小、测量精度较差等问题,研制了基于电机补偿原理的焦度仪。该焦度仪采用步进电机带动分划板做线性运动对分划板的位置进行补偿,通过改变焦度仪光学系统的物像关系来提高焦度仪的测量精度,扩大它的测量范围。测量时放入待测镜片,待整个调节过程结束后,电器部件会将每个接收到的图像进行分析计算后取平均值,得到待测镜片的各项参数。利用本样机对一些典型镜片进行了测量,结果显示所有镜片的误差范围均在±0.02 m-1内,表明本文研制的焦度仪完全符合国家计量检定规程的计量检定要求。     

Ф750mm口径望远镜光学系统的检测(英文)

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500～800nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80%能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750 mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500~800 nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8 nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80% 能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.