消球差特宽角椭球面聚光镜的设计及其样板和模子的制作

<正> 二次非球面(抛物面、椭球面和双曲面)透镜或反光镜在一定的使用条件下均能制成无球差光学零件,在一些光学仪器中已被广泛的采用。但以单透镜做聚光镜,它聚焦的光锥角通常是不够大的,在某些场合下不符合使用要求,为此需用高次非球面去解决,不过高次非球面的样板和磨制模子的制作都比较困难,因此我们设计了一种消球差的椭球面聚光镜来代替消球差的高次非球面聚光镜。现把这种聚光镜的设计、样板和模子的制作一一分述如下: 一、设计令椭球面子午截面(在xy平面内)的椭圆方程式为:     

椭球面镜的加工方法

椭圆绕长轴旋转而成的面叫椭球面,其方程式可用下式表达: y~2 =2R_0x-(1-e~2)x~2式中R_0——椭圆顶点的曲率半径; e——椭圆的离心率。椭球面的最接近比较球面半径R及最大非球面度δ_(max)可由下式计算:     

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。     

五轴加工中心范成铣磨离轴非球面研究

离轴非球面作为非球面的一部分,是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件.针对空间光学对离轴非球面光学元件制造技术的重大需求,开展了离轴非球面反射镜的精密铣磨加工技术研究.分析了五轴联动范成法铣磨离轴非球面的原理,将离轴非球面所在的同轴母镜离散为一系列不同半径的球面环带,将工件坐标系建立在待加工离轴非球面...     

易测量非球面定义及应用（英文）

本文提出了一种新型、易于用传统光学干涉仪测量的非球面。该非球面的检测主要基于Zemax光学程序软件设计的多重配置特性。第一配置为易于测量非球面,第二配置为采用平行平面玻璃板或单透镜作为零位校正器,用于检测第一配置的非球面。本文通过一些实例,说明了易测量非球面检测技术的应用和优势,证实了与圆锥或普通非球面相比,易测量非球面更易于操作与检测,同时有利于减小光学像差。     

易测量非球面定义及应用

本文提出了一种新型、易于用传统光学干涉仪测量的非球面。该非球面的检测主要基于Zemax光学程序软件设计的多重配置特性。第一配置为易于测量非球面,第二配置为采用平行平面玻璃板或单透镜作为零位校正器,用于检测第一配置的非球面。本文通过一些实例,说明了易测量非球面检测技术的应用和优势,证实了与圆锥或普通非球面相比,易测量非球面更易于操作与检测,同时有利于减小光学像差。     

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。     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

光学非球面度的定义及其准确计算

本文提出了两个光学非球面度的定义,即加工用非球面度与标准面干涉检测用非球面度,建立了它们的数学模型,给出了计算实例。结果表明,本方法较圆满地解决了准确计算任意回转非球面度的问题,适用于高精度加工与检测非球面度的要求。     

凸非球面背向零位补偿检验的设计方法

为了实现大口径凸非球面的高准确度检测,提出了凸非球面背向零位补偿检验方法.该方法在非球面背面引入辅助球面并在光路中加入球面补偿透镜来达到零位补偿检验.辅助球面既可以使凸非球面等效为凹非球面,还可以补偿部分非球面法线像差.依据三级像差理论,对辅助球面曲率半径及补偿透镜结构参量进行初始结构求解,并编写了求解初始结构软件,再利用光学设计软件对初始结构进行优化,优化结果满足设计要求,使凸非球面背向零位补偿检验理论化.在实际应用中,以Φ120mm凸非球面为例设计了凸非球面背向零位补偿检测系统,检测系统设计的剩余波像差PV为0.024λ、RMS为0.007λ.利用此检测方法加工完成后的凸非球面的面形准确度优于λ/40.     

航天光学遥感器光机结构尺寸稳定性变化对成像质量的影响

发射过程中的力学环境和在轨运行时的热环境,影响航天光学遥感器的尺寸稳定性,进而影响成像质量。用光学元件相对各自理想位置的变化、光学元件方程参数的变化和光学元件面形质量的变化表示遥感器光机结构尺寸稳定性的变化。结合实际工程项目,利用Zemax软件,分析主、次镜离焦、离轴、倾斜以及非球面方程参数变化对成像质量的影响。结果表明,离焦和非球面方程参数变化对成像质量影响较离轴和倾斜敏感。     

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。     

非球形粒子散射光的去偏振特性研究

目标对入射偏振光的散射特性反映了目标的属性信息。在Rayleigh散射理论的基础上，通过单层非球形粒子对入射偏振光的散射数学模型，应用矢量传输方程来计算非球形粒子散射的Mueller矩阵元，求解散射介质的偏振度，讨论在不同介质层厚度、粒子半径和探测角的条件下，非球形粒子散射光去偏振度的变化特性，给出了模拟仿真结果。该方法为研究目标的内部结构、厚度和粗糙度等特征以及目标的探测和识别提供了一种新的途径。     

无衍射贝塞尔光束非球面透镜设计

提出一种可产生无衍射贝塞尔光束的非球面透镜-贝塞尔透镜,该透镜由球面和非球面组成,呈旋转对称结构。利用光学设计软件ZEMAX通过光线追迹法对贝塞尔透镜进行设计,在设计和优化过程中,将出射光线与光轴的夹角作为边界条件,二次曲线参量和高次项系数作为变量。结果表明:利用标准二次曲线加上第一个高次项就可以得到比较理想的优化结果,设计的非球面贝塞尔透镜可以产生具有贝塞尔光束特性的无衍射光束。     

基于近焦点非球面透镜的LED均匀照明设计

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化,得到焦距76.79 mm、直径为200 mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真,根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明:均匀照明系统可以在60 cm处实现发散角±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。     

含有三个非球面的卡塞格林系统光学设计

介绍了一种含三个非球面的卡塞格林系统的设计思想，给出了一个设计结果。焦距２．８ｍ，Ｆ／５．６，视场３．２°，主镜、次镜均为６次方非球面，场镜含一４次方非球面，成像质量接近衍射极限，畸变也得到了校正。     

非球面复制成型技术的研究

光学非球面复制成型技术是一种通过面形转移的方法成型光学非球面的技术,即将高精度非球面光学元件(母模)的表面利用脱模膜和胶粘剂转移到球面光学元件(基体)的表面上,并保持原非球面光学元件的光学品质,使球面变成非球面。介绍了该技术的基本原理以及所进行的工艺实验(镀膜、脱模、胶合等),给出了母模和复制件的面形图,证明了该技术用于中小口径非球面光学元件的制造具有较高的精度。     

光学非球面数控加工设备及系统设计

本文介绍了采用计算机控制非球面的加工,其中包括非球面的抛光和检测,井使检测数字化,使加工过程数控化。     

电场作用下的变焦非球面液滴微透镜

提出了一种制作变焦非球面液滴微透镜并在线检测其光学性能的新方法。在实时进行光学检测的条件下,选择光固化材料,利用电场作用操控液滴透镜的面形实现变焦,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化,可制作具有良好光学成像和聚焦性能的非球面微透镜。研制了紫外光固化非球面液滴微透镜制作平台及在线检测系统,实验观察并讨论了液滴透镜面形和聚焦光斑随电场作用的变化规律,成功实现了液滴透镜的变焦,并获得了良好的非球面面形和聚焦光斑,证明了用此方法制作高成像性能的非球面微透镜的可行性。     

超高倍变焦光学系统设计

设计了一套焦距f′=8 mm~2 400 mm的超高倍变焦光学系统,对可见光波段成像。采用多组元全动型变焦结构,在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸;在普通衍射透镜的基础上,分析了谐衍射元件的成像特性及色散,减小长焦距所引入的色差和二级光谱;给出了新型非球面方程及特性,解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题。在上述理论基础上,利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真,引入4个谐衍射面和4个新型非球面。设计结果表明,在奈奎斯特频率50lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.5以上,成像质量较好,可广泛应用于军事、航天等领域。