衍射光学元件精密模压模具设计及预补偿

衍射光学元件较球面、非球面光学元件在校正色差方面具备较大优势,尤其是在红外光学领域,应用衍射光学元件可进一步增加光学系统的设计自由度。随着红外光学市场的进一步增大,常规的衍射光学金刚石车削技术难以满足大规模需求,精密模压技术成为解决上述问题的关键技术。模具设计是实现精密模压的重点,为了缩减模具设计周期,该文采用有限元仿真方法对模具进行预先设计及补偿,并试加工。采用单站式精密模压机对设计的模具进行了精密模压试验。模压试验结果表明：采用合理的工艺参数,能够实现衍射光学元件面形精度PV达到0.56μm,位置误差<0.011 mm,环带高度误差<0.12μm,验证了仿真预先补偿在衍射光学模具设计中的有效性。     

计算全息法测量长焦透镜面形和焦距

为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测,提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。 首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导,并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测,其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ,对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响,其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ;二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ,在具体制造过程中,其径向位置误差和台阶误差可分别在2 μm和5 nm之内。在综合考虑各项误差的情况下,该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。     

玻璃光学元件精密模压成形技术

介绍了玻璃光学元件精密模压成形技术的原理、玻璃材料、模具制造、模具表面镀膜、结合有限元仿真的模压工艺优化和模压成形设备等核心技术的研究进展,并讨论了当前存在的问题。通过探讨玻璃模压成形技术在自由曲面、微结构、衍射结构表面和晶圆阵列等光学元件中的应用现状,对玻璃元件精密模压成形技术的发展趋势和挑战进行了展望。     

微小非球面玻璃透镜超精密模压成型数值模拟

利用非线性有限元软件MSC.Marc,建立了微小非球面玻璃透镜超精密模压的有限元模型,并进行了微小非球面玻璃透镜模压数值模拟分析.通过对比模拟出的不同加工参量下的成型透镜和模具的残余应力分布结果,得出最优的超精密模压成型的模压速率和模压温度范围,并解释了模压速率和模压温度影响微小非球面玻璃透镜成型质量的原因.模拟可以对实际的大批量生产微小非球面玻璃透镜提供有力的帮助.     

微小非球面玻璃透镜超精密模压成型数值模拟

利用非线性有限元软件MSC.Marc,建立了微小非球面玻璃透镜超精密模压的有限元模型,并进行了微小非球面玻璃透镜模压数值模拟分析.通过对比模拟出的不同加工参量下的成型透镜和模具的残余应力分布结果,得出最优的超精密模压成型的模压速率和模压温度范围,并解释了模压速率和模压温度影响微小非球面玻璃透镜成型质量的原因.模拟可以对实际的大批量生产微小非球面玻璃透镜提供有力的帮助.     

旋转支撑法去除元件面形测量的夹持误差

为实现对光学元件的高精度面形测量,建立了一种旋转支撑结构的高精度测量方法。对该方法的理论原理、数值仿真和误差分析等进行了研究。首先根据元件夹持工况仿真分析了支撑变形的特性。接着用泽尼克多项式拟合波面,建立了旋转支撑法的理论模型,并推导出光学元件去除支撑影响后的面形公式。用仿真分析的方式验证了理论模型,对计算的面形结果与理论面形进行了比较分析。最后,分析了影响旋转支撑法测量精度的误差项。仿真分析结果表明,通过两次旋转支撑结构的方式,可以有效地去除元件支撑造成的面形误差,计算值与真实值之间的误差为支撑误差的泽尼克多项式的高阶对称项,满足元件面形的高精度检测要求。     

Schwarzschild物镜装卡应力对光学元件面形的影响

为了实现接近衍射极限的分辨率,工作在极紫外波段的Schwarzschild物镜要求其光学元件的面形精度达到约1 nm（RMS值）;而在物镜的装配过程中,装卡产生的应力会影响光学元件的面形精度,定量计算装卡应力对元件面形的影响是获得高分辨率成像的关键。在光学设计、公差分析的基础上,采用有限元模型系统地分析了应力对Schwarzschild物镜光学元件面形精度的影响。结果表明:采用自行设计的物镜结构,应力对主镜面形的影响可以达到0.7 nm,而对副镜的影响可以忽略;应力所产生的光学元件面形变化会使系统的几何传递函数(5000 lp/mm)从0.76下降到0.61。     

亚波长衍射微透镜的设计

设计了连续浮雕衍射微透镜和与其等效的二元亚波长衍射微透镜,采用旋转体时域有限差分法对通过计算机辅助设计出的元件进行了严格的矢量分析,给出了各元件在焦平面的场强分布.分析结果表明,本文设计的二元亚波长微透镜对连续浮雕微透镜有很好的等效效果;填充因子的脉冲宽度调制法要优于填充因子的线性近似法;制作相对误差不大时深度误差和宽度误差对微透镜聚光能力的影响不大.     

自由曲面光学透镜注射成型误差因素研究

自由曲面光学透镜注射成型误差对其光学性能将产生直接影响。注射成型过程中，注射工艺参数组合的优劣，直接影响成型误差的大小。为了获得高精密度的光学元件，就热塑性塑料的注射温度、模具温度、注射压力、保压压力及保压时间等主要工艺参数，对注射成型误差的影响进行综合研究,并且进行了实验验证。研究结果表明：适当提高注射温度与模具温度，同时采用高压注射、高压保压以及快速保压工艺，可显著降低注塑工件的体积收缩率，显著提高面形精密度，其光学表面面形误差小于0.1μm。可为注射工艺设计提供合理的依据。     

衍射光学元件检测及数据处理

衍射光学元件以其优异的光学性能,能够调制出理想的波面,较球面、非球面光学系统在校正色差方面具有较大优势。衍射光学元件的加工难点在于其加工精度不仅要求非球面基底的面形满足精度要求,还需要衍射结构的相位突变点及高度满足要求。由于其面形非连续性,存在相位突变点,传统的检测方式难于满足要求。对轮廓仪检测误差来源进行分析,结合检测数据分析加工误差数据,在此基础上进行数据处理,并将该方法获得的误差数据应用于零件加工,实现口径120 mm衍射面加工面形误差为0.539 μm。     

中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.     

光学微透镜阵列模压成形研究进展与展望

光学微透镜阵列在光学系统中的应用广泛,需求量大,而玻璃模压成形技术是最高效的微透镜阵列量产加工方法,具有精度高,一致性好,生产成本低等特点,有重要的应用研究价值。本文介绍了光学微透镜阵列的设计原理,模具制造技术,模压成形技术及相应检测技术;重点介绍了微透镜阵列模压成形试验与有限元仿真研究的最新进展;最后对微透镜模压成形发展前景进行了展望,包括微透镜阵列模压材料,模具表面镀层技术及超声复合加工技术在微透镜阵列模压成形中的应用等。     

超薄光学元件精密加工关键技术

针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点,提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差;在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛;在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm,厚度6.35 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明:在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平,最终的面形精度为PV=25 nm,RMS=1.5 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。     

CAE在塑料光学零件注射成型中的应用

目前光学塑料非球面零件在各种光电仪器中的应用越来越普遍。针对在注射成型光学塑料零件时对质量的特殊要求,本文介绍了利用注射成型ＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）软件Ｍｏｌｄｆｌｏｗ,通过对塑料填充过程、保压过程和冷却过程的模拟分析,对在成型中各工艺参数和模具结构影响光学塑料零件的残余应力和收缩率等最终质量问题进行了研究。从工艺参数的选取和模具结构设计等方面,提出了如何改善成型光学塑料零件质量的措施,给出了模具面形成型前补偿的方法。通过采用最大实体原则,利用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ分析结果进行模具面形补偿最优化计算。     

光刻投影物镜光学元件运动学支撑结构的设计与分析

为了实现曝光工作过程中深紫外投影光刻物镜的动态稳定性,设计了一种能够消除温度和应变影响的光学元件运动学支撑结构,研究了如何利用该支撑结构消除温度变化和外界应变对光学元件面形的影响。首先,计算单个支座的径向柔度,并与有限元分析结果进行比较。然后,分析在不同温度载荷和外界应变工况下光学元件上、下表面面形的变化,并与三点胶粘固定支撑方式下的结果进行了比较。计算结果表明：通过理论公式推导的支座径向柔度与仿真结果的误差绝对值小于2．2％;温度升高0．1℃时光学元件上下表面面形RMS值小于0．36nm;平面度公差5μm时面形RMS值小于0．05nm。与三点胶粘固定方式相比,运动学支撑方式能够有效消除温度变化和外界应变对光学元件表面面形的影响．     

自由曲面光学透镜的图像变换面形测量系统与精度建模

为了解决自由曲面光学透镜光学表面面形的高精度测量问题 ,提出了一种可用于自由曲面光学透镜面形测量的图像变换光学曲面面形测量系统。从测量系统的测量原理出发 ,分析了测量过程中各种误差对测量精度的影响 ,推导出了自由曲面光学透镜的图像变换面形测量系统的测量误差公式 ,建立了自由曲面光学透镜的图像变换面形测量系统的测量精度数学模型 ,得到了该测量系统具有很高测量精度的结论 ,并且用实验给予验证。     

折衍射混合复消色差望远物镜中的色球差

一个正透镜、一个负透镜及一个衍射光学元件以不同的组合可以构成两种折衍射混合光学系统.当这两种系统消球差、彗差及复消色差后会产生不同的色球差.通过赛德尔像差理论,分析了这两种结构产生不同色球差的原因.计算表明当衍射光学元件以负透镜的平面为基底时产生的色球差为以正透镜的平面为基底时产生的色球差的7倍.对衍射光学元件以负透镜的平面为基底的情形,提出了减小系统色球差的解决办法,使系统色球差减小到0.307 mm.另外设计了一个传统复消色差光学系统,并和折衍射混合光学系统进行了比较,分析表明,衍射光学元件可代替传统光学系统中的特殊光学材料并使系统达到相同的成像质量.最后讨论了衍射光学元件的衍射效率对系统成像质量的影响.     

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.     

应用离子束修正大面形误差光学元件

为了获得超高精度面形的光学元件并验证离子束的修正能力,对应用离子束修正大面形误差光学元件的问题进行了实验研究。通过改变离子源光阑尺寸的方式获得了不同束径的离子束去除函数,并对一直径为101mm、初始面形峰谷(PV)值为417.554nm、均方根(RMS)值为104.743nm的熔石英平面镜进行了离子束修形实验。利用10、5、2mm光阑离子源的组合,进行了12次迭代修形,最终获得了PV值为10.843nm、RMS值为0.872nm的超高精度表面。实验结果表明,应用离子束可以对大面形误差光学元件进行修正,并且利用更大和更小束径离子束去除函数的组合进行优化,可以进一步提升加工效率和精度。     

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。