一种圆棒晶体球形端面球心位置检测方法

固体激光器中,激光晶体的加工工艺会对输出光整体质量产生影响,针对圆棒晶体球形端面球心位置偏离中心轴的缺陷,提出一种晶体端面球心位置测量方法.通过理论分析测试光路传输矩阵,求解球形端面反射光的位置与角度关系,得到圆棒晶体球形端面球心位置与入射光高度及球形端面反射光斑位置间的关系。实验获得测试光在晶体端面不同入射高度时光阑上球形端面反射光斑距离通光孔的距离,计算球形端面球心位置与中心轴的偏离量。对两种规格4根晶体进行测量,2根-3晶体与中心轴的垂直距离分别为2.55 mm、1.1 mm,2根-4晶体与中心轴的垂直距离为3.25 mm、0.9 mm,分析了晶体球形端面球心位置工艺误差产生的原因。     

非球面检测中最佳入射球面波和最佳参考球面波的确定

为了能够对非球面光学元件面型进行高精度的干涉检测,提出了一种确定最佳入射球面波和最佳参考球面波的新方法。该方法通过计算分析入射球面波与非球面反射波干涉条纹密度,确定最佳入射球面波的波源位置;通过计算分析在干涉图记录平面CCD上干涉条纹的密度,确定非球面检测时参考球面波波源的最佳位置。应用该理论与方法,不仅可明确非球面检测时CCD等光路元件选型的具体策略,而且可用于指导非球面检测调试过程,并能够通过对干涉图的深入分析,获得更多被测非球面的信息。     

干涉条纹密度的计算及其应用研究

采用光的干涉方法检测曲面光学表面的加工质量时,都需要事先设计好系统光路的最佳检测技术参数,并能对检测的难度进行有效的评估,从而确保检测的精度。该研究采用了一种计算干涉条纹密度的新方法,对任意光学曲面检测的难度进行评估,并用于确定球面参考光点光源的最佳位置。以非球面为例,计算了非球面的最接近球面的半径和最大非球面度以及非球面检测时球面参考光点光源的最佳位置,说明了计算干涉条纹密度方法在确定干涉检测系统光路调试最佳条件的优越性,可为各种干涉检测系统的设计以及优化调试过程提供理论依据和分析指导。     

轴对称非球面透镜光轴共轴度的测量研究

介绍了一种轴对称非球面透镜的光轴共轴度的测量方法。激光管发出的光束经束腰变换透镜入射到被测透镜的非球面表面,由CCD摄像头接收非球面的反射激光光斑,CCD的光敏面位于反射激光光束的束腰位置;调整被测透镜位置,直到激光束腰中心位置不随被测非球面透镜的旋转而变化,这说明被测透镜的非球面对称轴与机械旋转轴重合;再利用球面偏心测量原理检测被测透镜球面一面的偏心量,即可以求得被测非球面透镜的光轴共轴度。该测量方法的误差小于20″。该方法适用于判定非球面透镜和非球面反射镜是否合格,以及调整非球面透镜的制造工艺。     

一种新的光学非球面度计算方法

提出了一种新的、能完全统一二次非球面与高次非球面的非球面度计算,且能直接得出最接近球的球心位置的计算方法面积长度法.该方法的计算内涵是两条相似曲线分别与某一固定点围成的面积应相等,且两条曲线的长度应非常接近.计算实例表明该方法计算结果准确,且易于编程,运算速度快.     

非球面干涉定心方法研究

由于非球面光轴的唯一性,非球面定心工艺中需分别定义顶点偏心误差和球心偏心误差.通过估算顶点偏心在传统定心仪上的测量误差,可以发现传统定心仪很难达到控制目的,而干涉测量方法却能得到较高的准确度.理论推导和模拟计算表明：顶点偏心角与偏心彗差之间有线性关系,顶点偏心角的彗差灵敏度与非球面的陡度成正比.使用干涉检测的方法可以同时控制非球面的两种偏心误差,且其检测准确度可以达到0.02 mm.     

基于斜率非球面度的非球面最接近比较球面定义

为了准确表征非球面偏离球面的程度,并适用非球面检测技术,提出了采用斜率非球面来定义非球面最接近比较球面。分析了最小最大斜率非球面度相关与计算全息板的加工难度及非球面检测难度,并有利于减小激光束偏转法的测量误差。根据定义推导了最接近比较球面计算模型,分析了不同比较球面下的斜率非球面度分布、不同非球面的最接近比较球面位置、非球面参数对计算结果的影响及各种非球面度定义下的最接近比较球面。结果表明,不同非球面的最接近比较球面球心为非球面0.85～0.87口径法线与光轴的交点,从而优化了计算过程。定义求得的最接近比较球面不同于现有各种方法,是适应非球面检测需求的。     

计算全息图案位置误差致波前误差的标定方法

通过对计算全息图检测非球面的误差进行分析,提出了一种用于计算全息图检测非球面过程中图案位置误差引入的波前误差的标定方法。该方法先设计检测过程中所需要的辅助波前和检测波前在计算全息基板上所对应的相位分布,再通过光场叠加的方式得到复合相位。辅助波前用于计算实际位置与设计位置的偏差,进而计算出位置畸变引起的检测误差,并将其从系统中消除。检测波前用于得到与非球面匹配的波前,进而对非球面面形进行检测,并提出了图案位置误差引入的非球面波前差的计算方法。为评估该方法的可行性,将复合相位所对应的计算全息图导入衍射计算软件中进行仿真,同时得到了平面、球面和非球面各个级次的衍射光斑,证明了该方法的正确性。     

高功率激光系统共轴鬼光束光斑大小及光强的计算

高功率激光系统中鬼光束对元件安全造成威胁 ,并导致主光束质量变坏 ,故鬼光束会聚点的位置和鬼光束会聚光斑光强的定量分析 ,对高功率激光系统安全运行非常重要。根据高斯光束在共轴有限孔径光学系统中的传输变换规律 ,得到了平行光束和同心光束在共轴光学系统中的光斑传输变换公式 ,进而计算了高功率激光系统典型结构单元鬼光束会聚点的位置和鬼光束会聚光斑的光强。结果表明 ,共轴光学系统中鬼点分布都在光轴上 ,单元件构成的系统在未考虑增益介质放大时 ,鬼光束会聚光斑的光强随鬼点阶次的升高下降较快 ,而多元件构成的系统则规律性不明显。     

基于等倾干涉的声波解析实验

激光检测的音频解析系统是将激光射在声源附近的玻璃表面,玻璃受到声压作用发生微弱同频率振动,激光照射到玻璃后上下表面返回的光发生等倾干涉,且玻璃振动引起反射光斑位置发生移动,光斑位移量与玻璃振动幅度成线性关系,通过检测干涉光斑位移引起的光强变化并对接收到的光信号进行光电转换和放大解析实现声音的还原。     

偏轴非球面红外光学系统的自动设计

本文给出了矢量形式的折、反射定律的完整表达式. 推导了解析形式的球面、非球面、柱面、平面以及折射和反射通用的间光线追迹公式, 处理了非同轴系统. 目前国内外采用的Fder 公式[1], , 相当于本文公式组的一个特殊情况—共轴球面系统. 此外, 使用本文的公式组, 能自动排除Feder 公式中可能出现的光线与曲面的不正确交点。五年来的实践证明, 本文的公式组使用方便, 精度较高, 是值得推广的. 应用上述公式组, 以点列图作系统评价函数, 用阻尼最小二乘法自动设计了偏轴球面折、反射系统和非球面双反射系统, 效果较好. 此外, 还推导了光束截面最小的位置, 以便安放红 外探测器. 关键词：     

动态干涉仪干涉图位置配准及移相误差校正

为抑制动态干涉仪系统中存在的干涉图空间位置匹配误差以及移相误差,采用相位相关算法和载频交叠重构干涉术,前者以光斑边缘为匹配特征,通过配准测试光斑,实现对4幅移相干涉图在空间位置上的像素级配准;后者按列交叠重构4幅载频移相干涉图,实现相位谱与误差谱在傅里叶频谱中相分离,滤取相位谱即可抑制移相误差对测量结果的影响。实验结果显示,两种方法均可以有效抑制干涉图的位置配准误差以及移相量误差,其结果与干涉仪结果相吻合,均方根值和峰谷值分别相差0.0057λ和0.0235λ。相位相关算法不受光强畸变等因素的影响,而载频交叠重构干涉术可以同时抑制由移相器件造成的两倍频相位误差和由光强畸变引入的一倍频相位误差。     

双目视觉测量系统特征点提取与匹配技术研究

自主研发了一种光笔式双目立体视觉大工件尺寸测量系统,对测量系统中特征点的提取及其匹配技术进行了研究。测量系统采用 Canny 算子和 Zernike 矩相结合的算法实现椭圆光斑的亚像素边缘提取,根据得到的亚像素边缘点,采用基于最小二乘的曲线拟合法得到椭圆光斑的中心坐标。针对特征点的匹配问题,提出了一种基于位置约束的快速匹配方法。实验结果显示:所提方法能提取到椭圆光斑亚像素边缘,可精确计算出椭圆光斑中心坐标,匹配率达到95%以上。     

干涉零位补偿检验研究

零位补偿检验是现代光学用于检测非球面的主流方法。根据实际检测需要,提出既可进行补偿检验,又可进行干涉检验的一种新型干涉零位补偿检验方法。干涉零位补偿检验的原理是:在零位补偿检验的基础上,将零位补偿系统的第一面改为与激光点光源同心的参考面,从同心参考面反射回来的参考波面与通过零位补偿检验系统的待检非球面反射回来的待检波面相干涉实现干涉零位补偿检验的目的。依据三级像差理论,设计了零位补偿检验的光学系统,给出像差理论分析和实际设计评价结果,当待检非球面镜的孔径角2u小于1 4.5时,系统的剩余波像差优于λ/170。通过对该方法进行原理性实验,充分证实,干涉零位补偿检验是行之有效的。     

组合非球面太阳能聚光镜的光学设计

提出了一种组合非球面反射型太阳能聚光镜并给出了设计方法。聚光镜由38片非球面组成,每一片非球面都由一组特定系数C,a₂,a₄,a₆,a₈,a₁₀的偶次非球面方程决定,是此特定非球面的一部分。根据非球面方程和光反射定律矢量形式,导出了非球面内壁上太阳反射光束的方向矢量与非球面系数C,a₂,a₄,a₆,a₈,a₁₀的关系,适当地选择这些非球面系数,即适当地调整非球面面型,可以使太阳反射光束具有特定的方向矢量,使入射到非球面内壁上的太阳光束反射后全部聚焦在某一特定的区域内,形成小的光斑。每组特定系数都用粒子群优化算法求得,并经计算机模拟和实验证明其聚焦效果。聚光镜的光束压缩比为330：1,其聚焦光斑可作为一种高温热源,而此聚光镜可以用在太阳能加热装置中。     

设计非球面检测用补偿器应注意的几个问题

介绍了补偿法检测非球面的原理,举例说明了在补偿器的设计中应注意事项。在补偿器中的每个面及其球心都不要位于其前面的光学元件组成的光学系统的焦点附近,以避免其反射光在有效干涉场内与参考光干涉,从而影响检测结果;补偿器中入射角大的面尽量前移,以降低公差要求;对补偿器材料的光学均匀性要认真核算以确保最后的检测结果有效。     

高精度高次非球面最接近球面计算方法

分析了高次非球面与其加工用最接近球面之间的几何关系特点,提出了一种基于1维搜索的高精度高次非球面最接近球面计算方法。该算法可以计算二次或高次凹（凸）非球面的加工用最接近球面半径、球心位置及非球面度。通过计算实例与现有计算最接近球面的方法相比,该算法在计算高次非球面时将最大非球面度从500.8 m减小到30.0 m,在计算二次非球面时计算结果与精确公式法得到的结果一致。计算实例表明该方法计算高次非球面时得到的最接近球面更优、计算精度更高,且适用于任意次非球面最接近球面的精确计算。     

最佳非球面位置的确定─APS因子及其应用

非球面化一直是光学设计领域内非常重要但未得到充分应用的一个方面，近年来材料科学和加工工艺的发展在一定程度上促进了非球面化的实际应用。本文是作者在实际非球面化工作中经验的归纳和总结，通过引入非球面化位置选择因子（ＡＰＳ因子），对如何选择最佳非球面位置进行了系统的探讨，得出了ＡＰＳ因子与待校像差、最佳非球面位置的关系。     

非球面液滴微透镜固化控制和焦斑测量研究

利用电场改变液滴透镜的面形得到非球面,并实时检测其面形和焦斑图像,在适当的时候用紫外光固化液滴制作具有良好光学性能的非球面微透镜.比较了非球面液滴微透镜在固化前后面形、焦斑的变化和对透镜性能的影响,讨论了液滴透镜在固化过程中变形的机理和相应的解决方法.用分辨率50 nm的光斑探针扫描仪精确测量了固化后的非球面微透镜的聚焦光斑,测得了光斑轴向分布曲线和均方根直径3.384μm的聚焦光斑,经图像处理计算了透镜的点扩散函数和光学传递函数,评价了所制作的非球面微透镜的聚光和成像能力,并给出了透镜的实际成像图像,对于完善高品质非球面微透镜及其阵列的制作工艺具有重要意义.     

基于修正Levenberg-Marquardt算法的非球面面形误差校正

随着光学非球面行业的快速发展,生产面形精度优于0.1μm的非球面镜片产品已成为趋势。在非球面镜片的面形检测中,由于存在机械系统误差,被检测工件的坐标存在6个自由度的偏差,这将直接影响非球面的面形测量精度。因此,针对检测系统,需要开发不确定度只有几十纳米的误差校正算法,以保证测量结果更贴近实际。通过数据仿真,在理想非球面的基础上叠加位置误差和面形误差以获得非球面原始三维数据,进而利用修正后的Levenberg-Marquardt全局优化算法,将所获原始三维数据与非球面标准方程作对比,并利用均方根(RMS)误差最小原理,成功分离和校正了非球面的位置误差。针对4种不同规格型号的玻璃非球面镜片,通过将实验结果与商用非球面轮廓仪UA3P的测量结果作对比,得出高匹配的结果,二者的峰谷值之差小于5 nm,均方根相差约为0.1 nm,结果验证了算法的准确性和稳健性。