小口径非球面加工技术及装备综述

小口径非球面零件是一种非常重要的光学零件。介绍了国内外小口径非球面超精密加工技术的发展现状和装备。对单点金刚石车削、超精密磨削、透镜成型、超精密铣削和特种加工技术进行了综述。指出了小口径非球面加工的发展趋势和产业化需要解决的问题。     

抛物面反射镜光轴的确定

介绍了一种确定抛物面反射镜光轴的新方法。当抛物面反射镜绕着机械旋转轴旋转时,利用2束平行光(一束与机械旋转轴平行的光和一束与机械旋转轴成一定角度的斜平行光)经抛物面反射镜反射的像点运动,调整抛物面反射镜的位置,使光轴与机械旋转轴重合。理论分析结果表明：其定轴的倾斜误差不大于1′,平移误差不大于5μm。该方法可用于抛物面反射镜检验,也可用于抛物面反射镜的调校工艺中。     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

高清晰低畸变细径化电子内镜物镜设计

设计了一款用于医疗方面的视场为74°的电子内镜物镜.电子内镜外径为8 mm从而实现无麻醉,内镜前端可弯曲来实现无盲区检测.物镜有效焦距为4 mm,后工作距为4.8 mm.系统的畸变最大值少于4%,场曲最大值为0.27 mm.为了提高成像质量,将非球面引入此五片镜系统.所设计的光学系统尤其适用于0.25英寸CCD像传感器,且显示模式为SVGA.     

大视场反射式施密特光学系统设计与检测

大视场、低成本、高性能天文望远镜是当前研究和开发的热点。基于像差平衡原理，在正入射施密特矫正板基础上推导出斜入射反射式施密特矫正板方程，针对焦距1 700 mm，成像视场角4°，波段为0.4 μm～0.9 μm，F数为4.25的光学系统，求解出施密特矫正板方程，并作为初始结构参数代入Zemax软件进一步优化。设计结果表明，在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率100 lp/mm处的调制传递函数MTF大于0.35，畸变小于2.5%，成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特矫正板与最近球面最大偏差为0.005 mm，采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该施密特系统的设计为大视场、宽波段天文望远镜的开发提供了参考。     

手机虹膜识别镜头设计

随着近年来图像传感器的快速商用化以及生物识别算法的发展，虹膜识别功能得以应用于移动终端设备。获取虹膜图像是虹膜识别的关键一步，运用ZEMAX光学设计软件设计了一款适用于手机的虹膜识别镜头。该镜头采用豪威科技公司OmniVision_OV2281传感器，采用三片式非球面光学塑料设计，F数为2.3，全视场角为34°，在1/2奈奎斯特频率220 lp/mm处MTF值均大于0.39，且系统总长仅3 mm。根据ZEMAX像质评价方法以及公差分析结果可知，该镜头各项光学指标优良，具有像质好、体积小，质量轻、价格低、容易加工等特点。     

大口径离轴凸非球面的加工和检测

将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接测试技术相融合提出了凸非球面系统拼接检测方法,对该方法的原理和实现步骤进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型.依次利用计算机控制光学表面成形技术和磁流变抛光技术对一包含大口径凸非球面的离轴三反光学系统的各反射镜进行加工,并对整个系统进行装调和测试.测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值求解得到大口径凸非球面全口径的面形信息.结合工程实例,对一口径为292mm×183 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,其最终面形分布的均方根值为0.017λ(λ=632.8 nm).     

基于非线性优化方法的离轴非球面轮廓测量面形恢复技术

轮廓测量是非球面光学镜面的重要测量手段,然而在测量过程中由于测量坐标系与理论坐标系间存在偏离,测量结果中存在误差。本文分析了离轴非球面的测量坐标系与理论坐标系间的平移和偏转误差在面形结果中引入的测量误差形式,根据最小二乘原理建立优化函数,依照函数特性通过数值差分法快速求解梯度并利用非线性优化方法优化偏差,从而将该误差从测量结果中剔除。仿真分析表明这种方法能在镜面面形残差和测量系统的随机误差的影响下有效恢复镜面面形信息。利用该方法实际指导直径为570mm的离轴椭球面的加工,经过四个周期的测量-研磨过程使该镜面面形误差的PV值从34.80μm收敛至13.83μm,RMS从3.28μm收敛至1.89μm。为了进一步比较,对一块220mm×96mm矩形离轴椭球面测量,验证了该方法测量异形离轴镜面的适用性和通用性。     

高变倍比变焦光学系统设计

设计了一套焦距f=10 mm~500 mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础,通过高斯光学计算,给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面,使系统具有更大的自由度,并有效校正光学系统中的像差,减小系统复杂度,对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱,减少了透镜片数,使系统更加紧凑。分析了10 mm~500 mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线,计算出变倍组和补偿组的变化曲线,可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律,而且曲线的变化比较平滑,能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.6以上。     

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。