新型轻量化可见光光谱仪成像系统研究与分析

利用衍射光学元件消色差和对波面进行任意整形及自由曲面光学元件校正像差的特性,将衍射光学元件和自由曲面光学元件应用于传统可见光光谱成像光谱仪成像系统中,提出了一种新型的可见光光谱成像光谱仪成像系统,基于衍射光学元件独特的负色散特性,用一片折射/衍射混合光学元件代替传统的双胶合透镜来实现消色差,基于自由曲面光学元件的多自由度特性,在系统中引入两个自由曲面光学元件对系统中的像差进行有针对性的校正,针对具体的设计实例给出了详细的设计步骤,设计结果表明,在相同的参数指标前提下,新型系统仅为4片式结构,和传统系统相比,重量减轻22.9%,总长缩短26.6%,最大口径减小30.6%,调制传递函数值最大提升为1.0视场,调制传递函数值提高0. 35,最大畸变减小1.6%,最大垂轴像差减小56.4%,轴向色差减小59.3%,新型系统各方面的性能都得到了较大的改进,为现代高性能、轻小型可见光光谱成像光谱仪成像系统设计提供了一种新的途径。     

一种基于光学自由曲面的通道分光元件的设计与检验

针对小F数、短后工作距的Cook型光学结构,设计了一种基于光学自由曲面的通道分光方案以及相应的检测方案。该分光方案利用光学自由曲面的多自由度来修正通道分光元件倾斜引入的像散,使透反两通道光学像质均接近衍射极限。采用计算全息检测技术实现分光元件光学自由曲面的面形检测,检测光路的系统波前峰谷值为0.0096λ,均方根为0.0017λ。分光元件及检测方案均满足设计需求,且对小F数、短后工作距的光学系统的通道分光具有借鉴和实用参考价值。     

自由曲面光学元件待加工区域标记方法

提出了一种使用三坐标测量机(CMM)对自由曲面光学元件表面待加工区域进行标记的方法。针对自由曲面光学元件外形特征设计工件坐标系,规划工件坐标系定位点,通过坐标变换将待加工区域的像素坐标转换为对应的自由曲面工件坐标系的标记点位置坐标,将待加工区域的感兴趣点三维坐标导入CMM,使用CMM对工件坐标系下标记点位置自动探测,实现待加工区域的标记,提高了检测效率也避免人为标记定位误差。     

基于新型LED准直系统的自由曲面均匀照明设计

根据非成像光学理论,提出了一种基于准直系统的自由曲面设计方法。以几何光学为理论基础,设计了一种关于中心轴旋转对称的新型发光二极管(LED)准直系统。准直系统的集光角约为236°,出射光半发光角度小于1°。基于几何光学和能量守恒定律,在准直系统的出射平面上设计了自由曲面,并给出了"多对一"的能量拓扑关系和均匀矩形光斑的照明设计方法。借助Matlab软件,对自由曲面的面型数据进行求解,并在曲线曲面的非均匀有理B样条(NURBS)曲面的理论基础上,采用SolidWorks软件搭建模型,并通过光学设计软件LightTools进行模拟分析。仿真结果表明:新型准直系统能够实现大角度光线的准直,基于准直系统的自由曲面设计方法实现了均匀的矩形光斑。     

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.     

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。     

光学自由曲面的检测方法

针对自由曲面光学元件离轴像差小,应用广泛,但检测难度大,加工精度不够高等特点,对现行的自由曲面光学检测方法进行了分析。提出了在自由曲面光学元件的不同加工阶段宜采用不同的检测手段,根据加工的步骤依次采用三坐标机、轮廓仪、光学干涉测量等方法为好。介绍了子孔径拼接技术的发展,叙述了利用计算全息(CGH)和反射光栅摄影测量法检测光学自由曲面等两种有着良好发展前景的方法。最后,给出了利用CGH检测三次位相板的实例。     

基于自由曲面的产生五向准直光束的元件

为了实现光束沿多向准直出射的要求,提出了基于自由曲面的光学器件设计方法。该光学器件是四个侧面为自由曲面、上表面为准直透镜的空心梯形台。基于微分几何理论和折射定律,建立梯形台侧面轮廓曲线上的点所满足的方程,结合Matlab软件数值计算出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,将数据点导入Solidworks中进行曲线拟合并建模,进而得到梯形台侧面的实体模型;运用CodeⅤ软件设计出上表面准直透镜。将自由曲面面型数据和准直透镜数据导入到Lighttools软件中进行了仿真模拟,结果表明,该光学器件可实现光线五向准直出射。     

光学自由曲面的检测方法

针对自由曲面光学元件离轴像差小，应用广泛，但检测难度大，加工精度不够高等特点，对现行的自由曲面光学检测方法进行了分析。提出了在自由曲面光学元件的不同加工阶段宜采用不同的检测手段，根据加工的步骤依次采用三坐标机、轮廓仪、光学干涉测量等方法为好。介绍了子孔径拼接技术的发展，叙述了利用计算全息（CGH）和反射光栅摄影测量法检测光学自由曲面等两种有着良好发展前景的方法。最后，给出了利用CGH检测三次位相板的实例。     

光学自由曲面数控化加工方法

在光学系统中，为了满足特殊的成像要求，需要使用自由曲面光学零件，但由于自由曲面是一类非常复杂的曲面，用传统的光学加工方法很难加工。本文概要介绍了光学非球面的多种加工方法，探索了这些方法加工光学自由曲面的可能性，提出了用数控化加工方法加工光学自由曲面，并利用这种方法加工了一块自由曲面透镜。     

基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜设计

提出一种基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜的设计方法。通过非成像光学设计,以光学扩展量与折射定律为理论基础,自由曲面迭代优化,实现光源与光纤之间的低损耗耦合。仿真结果表明:以LED芯片作为光源,该透镜可以将光通量传导效率提高至89%以上,具有良好的应用和发展前景。     

自由曲面光束调控Monge-Ampère方法研究进展

自由曲面具有灵活的面形结构,用于光束调控可获得高性能、轻小型的系统,可创造新的结构形式和实现新的光束调控功能。自由曲面光束调控是一个根据输入和目标反求光学自由曲面的逆问题。Monge-Ampère(MA)方法基于理想光源近似,将自由曲面光束调控逆问题转化成一个带有非线性边界条件的MA方程。MA方法无需预先给定光线落点位置,而是通过控制曲面的高斯曲率分布来实现对光传输的高效灵活调控,被认为是当前最有效的可自动满足曲面连续性可积条件的自由曲面设计方法。对MA方法的研究进展进行了概述,详细介绍了自由曲面光束强度调控模型,以及自由曲面光束强度和波前同时调控模型的构建过程与求解方法,并通过三个设计实例充分展示了各类光束调控模型的有效性和MA方法的优势。     

基于双自由曲面的LED均匀照明准直透镜设计

基于几何光学、能量守恒定律及菲涅耳定律等相关理论,提出了一种双自由曲面半导体发光二极管(LED)准直透镜的光学设计方法,并给出了构建准直透镜模型详细的算法设计。自由曲面是一种关于中心轴旋转对称的曲面,该曲面的二维轮廓在非均匀有理B样条曲线的方法理论基础上,采用ProE软件搭建而成。通过蒙特卡罗光线追迹模拟发现,相比传统的单自由曲面准直透镜,双自由曲面准直透镜不仅提高了照度均匀性,而且在能量利用率上也有显著的提高。研究结果表明,采用双自由曲面将大大提升准直透镜的设计空间,改善LED透镜的光学性能。     

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。     

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...     

基于加工公差约束的自由曲面棱镜设计

自由曲面棱镜是轻型头盔显示系统的核心光学器件,其巧妙的设计以及精密的加工方法历来备受研究者的关注。目前有关自由曲面棱镜的研究主要集中于视场角和成像质量上,而忽略了公差设计,尤其是加工误差对棱镜的影响。针对这一现象,在详细分析了自由曲面棱镜的加工误差来源之后,提出了基于公差约束的自由曲面棱镜优化设计方法,以保证在加工精度允许的前提下得到最佳的成像质量。通过光学仿真实验及成像质量分析,验证了该方法的有效性。     

基于矢量像差的自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Zernike多项式为表征函数的自由曲面光学系统像差分析方法,推导了在未消像散和彗差的光学系统中引入自由曲面后系统像差解析表达式,利用光学设计软件对远离光阑位置的自由曲面所导致的像差节点分布特性进行了仿真验证。仿真结果与理论推导一致,证明该方法可以用来解析自由曲面光学系统像差。最后,应用该方法设计了含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统。系统焦距850 mm,F数6.5,系统在成像视场20°×2°范围内的畸变小于0.25%,成像质量满足使用要求。     

基于COB LED的均匀光强分布可见光通信系统发射端的光学设计

针对光线在大角度偏转时菲涅耳损耗大、光强均匀性差等问题,提出了基于最优双偏转能量映射和贝塞尔曲线多参数优化的双自由曲面透镜设计算法,并利用该算法设计了基于板上芯片型(COB)发光二极管(LED)的双自由曲面透镜,该透镜可应用于可见光通信系统的光学发射端。以大面积发光面的COB LED作为光源,通过控制自由曲面透镜内外两个表面上的入射光线偏转角的比例关系(即偏转系数),可降低菲涅耳损耗。构建了出光角分别为180°和260°的大角度均匀光强分布的双自由曲面透镜,其光强均匀度分别为0.92和0.90,其光能利用率分别为89.4%和85.9%。将单自由曲面透镜和双自由曲面透镜的光学性能作对比,结果表明,单自由曲面透镜可实现出光角范围为120°~180°、光强均匀度超过0.85以及光能利用率超过85%的光分布,双自由曲面透镜在达到同样的光强均匀度和光能利用率时,可实现出光角范围为100°~260°之间的均匀光强分布。因此,利用双自由曲面透镜能够实现更大范围出光角的均匀光强分布,从而满足可见光通信系统的光学发射端的光分布要求。     

曲面光学元件表面微缺陷透射式偏振检测

国内外近些年来,对于光学元件表面缺陷的检测技术越来越重视。由于光学元件表面质量的好坏会直接影响到光学系统的性能。文章主要针对曲面光学元件中球面和柱面光学元件表面微缺陷的检测问题,提出了一种基于光偏振特性的检测方法。利用光学元件表面缺陷与无缺陷区域之间透射光偏振态的差异,提高整幅图像中缺陷的对比度。首先基于光的偏振理论,利用偏振片获得偏振照明光,并采用共焦照明的方式获得同时对焦的曲面光学元件缺陷图像。其后,利用计算机对缺陷图像进行处理。结果表明采用光的偏振特性对曲面光学元件表面微缺陷的检测,能够获得高对比度、高分辨率的缺陷特征。此方法很好的提高了曲面光学元件表面微缺陷的检测准确度和检测效率,结果表明缺陷的检测准确率达到了95%。     

光学自由曲面飞刀加工刀位轨迹的生成算法

基于双三次B样条曲面对光学自由曲面的描述,采用参数变化量控制法进行刀具轨迹的计算。通过分析飞刀加工的特点,推导出单晶金刚石飞刀加工光学自由曲面的刀位点的计算方法,编程实现了该算法。根据走刀路径规划和刀位轨迹计算方法可以生成飞刀加工的数控程序,成功地应用该算法进行了光学自由曲面的加工。