自由曲面光学的超精密加工技术及其应用

突破传统光学成像系统设计理论和方法,将自由曲面引入光学成像系统中,极大地提高了系统的成像质量和能量的传输效率;采用先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件,解决了自由曲面光学元件加工的技术瓶颈.开发了自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法,以及多轴超精密数控加工光学自由曲面的自动编程及其刀具轨迹仿真系统,建立了自由曲面三维拓扑预测模型与优化系统,研发了多个自由曲面测量及评估方法,并搭建了自由曲面光学设计、加工、测试一体化的集成平台.上述核心技术有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题.研究成果推动了超精密加工及纳米测量领域内的技术进步.     

光学非球面面形轮廓检测技术

随着科技的进步,尖端产品和先进光电系统对光学系统的成像质量要求越来越高,光学非球面元件能有效地校正像差、减少系统所需光学元件数量、减轻系统重量,因此被广泛应用。其特殊的面形特征决定了它的加工和检测相对于球面更加困难,而检测精度直接决定了加工精度,非球面检测技术的重要性显而易见。根据测量原理对光学非球面的检测技术进行了概述;根据目前直接面形轮廓法在光学非球面的加工中应用最广的情况,结合最新检测手段,重点介绍了非球面直接面形轮廓法测量技术;并介绍了近年来日益受到人们关注的自由曲面及面形轮廓法在自由曲面检测的应用;最后总结了光学非球面检测技术的现状和发展趋势。     

2012国防光学计量与测试技术学术研讨会

2012年4月16-20日成都重点议题:军用光学测量技术超精密测量与微纳加工技术自由曲面制造与检测技术发起单位:中国航天科工集团科技与质量司主办单位:中国宇航学会承办单位:中国宇航学会光电技术专业委员会,中国航天科工集团三院303所特约专家报告:李同保(同济大学)--光辐射/纳米光栅技术杨照金(兵器205所)--军用光学计量技术发展综述费锦东(航天二院仿真中心)--国防前沿光学计量技术发展需求     

自由曲面的CGH光学检测方法与实验

自由曲面能有效地简化光学系统结构并提高其性能,在照明光学系统和成像光学系统中均具有良好的应用前景。为了实现自由曲面的高精度光学检测,分析了自由曲面的计算机全息图(CGH)检测方法并讨论了它的限制因素;探讨了使用基准CGH区域解决自由曲面检测时的对准问题;设计并制作了直径为180 mm的CGH对某三次方项波前编码自由曲面(口径150 mm,PV为6λ,λ@632.8 nm)进行了光学检测,该方法的检测结果(0.068λrms)与非零位检测方法的检测结果(0.067λrms)一致,实验验证了自由曲面的CGH检测方法。该方法具有易对准、精度高和效率高的优点。     

超精密抛光自由曲面光学的表面生成

超精密抛光是一种新兴的用于制造高精度、高品质的自由曲面光学加工技术.该技术可突破其他自由曲面加工技术的限制.如飞刀铣削和快刀伺服加工的低效、非铁材料的局限等.然而,对超精密抛光中表面生成机理的理解,目前还不完善.探讨了超精密抛光过程中加工策略对表面生成的影响.进行了一系列抛光实验.研究结果表明:抛光表面的质量很大程度上依赖于加工过程条件及抛光策略的适当选择.抛光加工不仅可用于去除其他加工方式所产生的不利性刀纹,还可以产生功能性应用的结构性表面.该研究结果为深入理解超精密抛光自由曲面光学的表面生成机理,以及优化超精密抛光的表面质量,提供了重要依据和方法.     

超高精度光学元件加工技术

为满足193 nm 投影光刻物镜对光学元件不同频段的精度要求,提出了一种将超光滑加工和高精度面形修正相结合的超高精度光学元件加工技术。分别介绍了微射流超光滑加工技术和离子束高精度面形修正技术的基本原理。在自行研制的微射流超光滑加工机床和购置的离子束加工机床上对一直径100 mm 的熔石英平面镜进行了超高精度加工,经两次超光滑和一次离子束迭代加工后其面形由初始的rms 值35.042 nm 改善到3.393 nm,中频粗糙度由rms 值0.389 nm 改善到0.309 nm,高频粗糙度rms 值由0.218 nm 改善到0.080 2 nm。最后采用功率谱密度函数对加工前后的光学元件表面质量进行了分析评价。结果表明:采用微射流超光滑加工技术和离子束加工技术相结合的加工方法可以全面提升光学元件的面形精度和中、高频粗糙度,通过合理的工艺优化完全能够获得满足193nm投影光刻物镜要求的超高精度光学元件。     

光学元件面形的环路径向剪切干涉检测方法研究

提出了将环路径向剪切干涉(CRSI,Cyclic Radial Shearing Interferometry)术应用于光学元件面形检测的新方法.设计了基于环路径向剪切干涉检测光学元件面形的光路系统.根据环路径向剪切干涉法的波前重建算法,模拟计算了任意波前的重建情况,同时在基于开普勒望远系统的环路径向剪切干涉仪上实际测量了一个已知光学元件的面形.结果表明,文中提出的波前重建算法和采用的光路系统可用于实际光学元件面形的准确检测,系统的重复性也得到了研究.     

一种优化超稳光学腔的数值方法

为了降低超稳光学腔的振动敏感度,在综合考虑振动所导致的腔镜位移及转动后,定义了一个新的表征腔体振动敏感度的参量。采用有限元数值分析方法,用所定义的单一参量优化了一个典型的立式超稳光学腔。优化过程考虑了腔体端面直径、支撑孔位置和深度等关键几何参量。结果表明,优化后的腔体结构和支撑方式可以明显降低超稳腔对振动的敏感度,腔体稳定性比优化前提高1.5倍。该优化方法操作性强,能够有效提升超稳腔仿真和设计的效率。     

动态三维面形测量的研究进展

近年来,光学非接触三维面形测量技术被深入研究和广泛应用,其中常采用的技术方案是投影一个载频条纹到被测物体表面,利用成像设备从另一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像,再从中解调重建出被测物体的三维面形分布。与单帧图像的傅里叶条纹分析方法相结合,这种基于条纹投影的调制和解调技术被拓展应用到动态过程(物体)的三维面形测量和重建中,以满足日益增长的动态过程分析需求。回顾了近年来在基于条纹投影和傅里叶分析的动态过程三维面形测量以及薄膜振动模式检测研究中的进展,讨论了不同动态过程的测量方法和测量系统,给出了相关应用的实验结果。讨论了该技术的优点和面临的挑战,并指出了该领域今后的发展动向。     

采用奇偶函数法的平面面形绝对测量技术仿真分析

随着现代工业和科学技术的飞速发展,特别是近代大规模集成电路技术的不断提高,对系统精度的要求日益提高。在光刻系统中,越来越短的特征尺寸要求我们使用更高精度的光刻物镜。在这之前我们需要更高精度的检测技术来满足加工及系统集成的需要。高精度移相干涉仪的测量结果包含了待测面和参考面的误差,移相干涉测量法的测量精度受限于参考面的精度。绝对测量方法通过移除参考面的误差,从而达到提高测量精度的目的。回顾了光学平面面形绝对测量方法,重点描述了基于奇偶函数的绝对测量方法。分析了旋转角度误差对测量结果的影响,通过旋转更小的角度求出了高阶面形拟合分量,给出了求高阶面形拟合分量的通项公式。     

反射式ADB模组的光学设计

为解决复杂道路条件下的汽车夜间行车安全问题,避免会车时使对向车辆驾驶人员产生炫目效果,文中以非成像理论为基础并结合折反射定律,建立LED出射光线与接收面上远光分布点的对应投射关系.通过数值迭代的方法求解自由曲面离散点,并导入到3D软件中进行拟合建模,设计出一种通过控制对应LED亮灭,用以组合形成不同远光光型的反射式AD...     

基于二维面形加权叠加的扩展LED光源自由曲面透镜设计

提出了一种适用于二维面形加权叠加的方法,该方法可以针对扩展LED光源设计自由曲面对光分布进行调控。在光源面上取5个采样点作为5个点光源产生5个自由曲面,对每个自由曲面数据点分别乘以权重因子,对加权之后的自由曲面进行叠加,叠加后的自由曲面作为初始轮廓。使用粒子群算法对权重因子做进一步优化,获得最优权重因子,使用最优权重因子对5个自由曲面进行加权叠加。使用叠加之后最优的自由曲面构成的透镜对扩展LED光源进行光分布调控,模拟结果表明,使用该方法可使目标面的照度均匀度达到75%,比初始透镜在目标面产生的照度均匀度提高了15%。该方法具有优化变量少、面形连续性好、收敛速度快等优点。     

基于人工智能技术的光学超精密检测技术

机械零件的光学超精密检测可提升零件的经济效益,为提升机械零件的光学超精密检测精度,研究基于人工智能技术的光学超精密检测技术,在机械零件的光学超精密检测中赋予人工智能机械学习模式,将机械记录的每次人为移动机械零件的动作和位置信息、光照强度等信息作为输入量进行机械计算,并将输出信息和输入量保存在存储器中.采用光学白光干涉测...     

改进的Hindle方法检测凸非球面的研究

凸非球面,尤其是大口径快焦比凸非球面的光学检验一直是非球面加工中的难点.针对凸非球面光学元件加工检验困难的问题.研究了一种改进的Hindle方法.解决了经典的Hindle方法需要大口径辅助球面镜和存在中心遮挡等不足.利用该方法对一块φ88 mm.焦比F/1.9的玻璃材料凸双曲面镜进行检验加工实验,对系统进行了分析优化,...     

深度学习的光学超精密制造设备状态模式识别

为提升超精密光学元件成品质量以及成品率,提出了深度学习的光学超精密制造设备状态模式识别方法,采集光学超精密制造设备状态数据集后,通过数据处理、关联分析与回归分析获取光学超精密制造设备状态数据集的关联度与拟合函数结果,将其作为训练样本输入卷积神经网络,通过卷积操作、池化操作以及网络结构与设置实施深度学习的模式识别,通过输出深度学习结果模式识别光学超精密制造设备状态,最后实验结果表明,本文方法可有效识别该制造设备的压力、转速、元件摆幅、元件摆速异常状态,总识别准确率高达99%,具有较高实用性能。     

研究分子非线性光学特性的新技术--超瑞利散射技术

介绍了九十年代发展起来的超瑞利散射（ＨＲＳ）技术的简史、理论、研究意义以及作者目前的研究工作。ＨＲＳ是溶液或气体中分子的二阶或高阶非相干散射，通过ＨＲＳ技术不仅可以测定分子的超极化率，还可以了解分子结构和分子间的相互作用。给出了ＨＲＳ技术的实验装置及分析方法，并总结了其优越于传统的电场诱导二次谐波产生（ＥＦＩＳＨＧ）技术的一些特点。     

基于光学超精密检测的新能源汽车电池表面缺陷检验

为了提高新能源汽车电池表面缺陷检测能力,提出基于光学超精密检测的新能源汽车电池表面缺陷检验方法,构建新能源汽车电池表面光学超精密成像模型,结合超精密激光扫描的方法进行能源汽车电池表面激光成像处理,提取能源汽车电池表面激光成像的边缘轮廓特征量和纹理分布,结合图像边缘与区域信息融合的方法进行新能源汽车电池表面缺陷定位,建立新能源汽车电池表面激光成像的分割模型,采用光学超精密检测方法进行新能源汽车电池表面纹理异常点检测,实现新能源汽车电池表面缺陷检测和检验优化。仿真结果表明,采用该方法进行新能源汽车电池表面缺陷检验的准确性较高,在精度、抗噪性、鲁棒性方面具有优势,对缺陷定位的精度较好,提高了汽车电池表面合格检测率。     

双面光学共焦技术的透镜中心厚度测量设计

基于共焦法测量透镜中心厚度的装置中,需要光进入透镜内部发生折射和反射,但这会影响测量精度。为了解决这一问题,在共焦法原理的基础上,采用双面光学共焦的测量方法,设计了一套透镜中心厚度的测量装置,并进行了理论分析、误差分析和试验验证。结果表明,该装置测量范围能达到30mm,测量精度为2m。该装置实现了对透镜中心厚度的高速非接触测量,完全能达到实际测量的需要。     

基于光学相干层析成像技术的薄膜厚度测量

为了对薄膜厚度进行测量,采用白光谱域光学相干层析成像的测量方法,进行了理论分析和实验验证,对以玻璃为基片的单层和多层薄膜样品进行了层析成像实验,获得了样品的2维层析图像。结果表明,该系统不仅能显示薄膜样品内部的微观结构,而且能从2维层析图像中得到单层和多层薄膜的厚度(分别为68μm和30μm),测量值与理论值相吻合,从而验证了测量理论正确性。该系统具有较高分辨率,可实现快速成像,满足实际工业测量需要。