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。     

一种新型非球面数控抛光方法的研究

介绍了一种新型的非球面抛光方法———进动抛光,这种方法有着其它方法所不具备的优点———抛光头与非球面很好的接触,因而使仿真结果与实际更接近。对进动抛光原理进行了详细的论述,用数学建模的方法计算了非球面抛光过程中的非球面度、去除函数及驻留函数,通过计算机模拟出了相应的特性曲线。     

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。     

光学非球面元件非球面度计算方法

详细介绍光学非球面元件非球面度计算的牛顿迭代法、近似法、最小二乘法3种方法，并根据工程实践比较了3种方法的优缺点，得出了工程应用中的结论：近似法适用于一些相对孔径较小的非球面，否则误差会较大；牛顿迭代法的精度较高，但计算量大也最复杂，且不能直接得到最接近参考圆的圆心位置坐标；最小二乘法的计算方法简单，不涉及求导、积分、迭代，适合编写计算程序，且可直接得到最接近参考圆的圆心位置坐标。     

基于Q-type非球面的电子内窥镜物镜光学系统设计EI北大核心CSCD

采用具有"负-正"形式的反远距结构作为初始结构,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统,其全视场为110°,焦距为1 mm,F数为3.3,最大通光孔径为3 mm,系统总长为7.89mm。该光学系统由6片透镜组成,包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明,在奈奎斯特空间频率143lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4,接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性,在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统,对两者进行了分析比较。结果表明,Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力,且有利于提高系统的优化设计效率;设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小,有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度,降低成本;同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低,有利于提高系统的装配效率。     

基于Q-type非球面的电子内窥镜物镜光学系统设计

采用具有"负-正"形式的反远距结构作为初始结构,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统,其全视场为110°,焦距为1 mm,F数为3.3,最大通光孔径为3 mm,系统总长为7.89mm。该光学系统由6片透镜组成,包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明,在奈奎斯特空间频率143lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4,接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性,在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统,对两者进行了分析比较。结果表明,Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力,且有利于提高系统的优化设计效率;设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小,有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度,降低成本;同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低,有利于提高系统的装配效率。     

折反射式零位补偿检验

结合奥夫纳尔折射式零位补偿器和马克苏托夫反射式零位补偿器的优点,对大口径、大相对孔径凹非球面加工检验提出一种折反射式零位补偿检验法.该方法采用放置在非球面顶点曲率中心之前的两块透镜和一块反射镜来实现大口径凹非球面零位补偿检验.依据三级像差理论,推导了初始结构计算公式;通过对口径为1 000mm、顶点曲率半径为4 000mm、偏心率为1.05、中心孔为200mm的凹非球面进行补偿器设计,完成了原理验证,优化后系统剩余波像差峰谷值为0.004 2λ.研究结果表明该方法轴向光路长度短,补偿能力强,可用于允许部分中心遮拦的大口径、大相对孔径凹非球面检验.     

计算全息检测离轴非球面的离散相位计算

为了设计检测离轴非球面的计算全息图（CGH）,需要对采样点的相位进行计算。通过平移和旋转,将离轴非球面几何中心的法线作为检测光路光轴。在此基础上,采用光线追迹法,对离轴非球面上采样点的相位分布进行了研究,详细推导了离散相位的计算方法,给出了在3维空间坐标系中,离轴非球面上任意一采样点的相位计算公式,并通过计算、对比同一旋转对称非球面的相位分布对该算法进行了验证。结果表明该计算方法正确,且计算精度能够满足CGH的要求。     

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。     

光学加工工艺与设备

针对离轴TMA结构空间相机中使用的两块离轴非球面反射镜的加工过程,提出了一种新型的矩形轴非球面的最接近球面半径的求解及其优化方法,并且开发了基于计算机虚拟加工技术的CC()S工艺参数计算方法。被加工工件分别为165 mm义100 mm的矩形凸面     

A novel definition method of optical asphericity

In view of the fact that methods for calculating asphericity of optical aspheric surface are nonuniform, a novel definition method named least maximal error method is proposed on the basis of an analysis of the common calculating methods. It fully unifies the asphericity calculation for conicoid and high-order aspheric surface. It finds the best-fitting spherical surface, notes the maximum deviation between aspheric surface and the best-fitting spherical surface minimum, and this maximum deviation is defined as the maximal asphericity of aspheric surface. The theory of the definition method and some calculation examples are put forward. The method is suitable for computer programming and its result is accurate.     

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。     

非球面数字波面检测技术

提出了一种快速检测浅度非球面（非球面度小于0.01 mm）的方法,该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面,剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后,得到实际被测镜面的面形分布数据;根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据,得到理论波面数据,用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差,即面形误差。利用该方法测量了一口径为135 mm的双曲面,并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当,说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。     

Deflectometer with synthetically generated reference circle for aspheric surface testing

A deflectometer with a synthetically generated reference circle is proposed for aspheric surface testing. Rotation and translation movements are combined to realize laser scanning and make the measurement of the aspheric surface in polar coordinates. It effectively improves the measurement precision for aspheric surfaces with large relative aperture. The measuring equipment is calibrated using a defocused standard spherical surface, and it achieves a precision of λ/5–λ/10 (λ=0.6328 μm), which is close to the precision of the interferometric method (λ/20). This testing technique based on laser deflectometry is capable of measuring most kinds of aspheric surfaces, especially those with large asphericity and those of concave shapes. The feasibility of the technique is shown and experimental results are presented.     

大口径方形离轴非球面的非球面度计算与应用研究

采用不同的数值计算方法求解了大口径(340mm×340mm)方形离轴非球面的最接近球面曲率半径和非球面度,得出了各种不同的磨削量及其对应的分布结构。对不同的最接近球面及非球面度所适用的加工工艺和检测方法进行了分析和评价。这对离轴非球面的加工和检测具有一定的指导意义。     

子孔径拼接技术在大口径高陡度非球面检测中的应用

 为了能够精确地完成对大口径高陡度非球面在细磨和抛光过程中的测量，提出了一种将子孔径拼接技术和补偿技术相结合的检测方法。介绍了该方法的基本原理，建立了合理的数学模型，编制了拼接计算软件。利用该方法对一外形尺寸为400 mm×300 mm的高次离轴非球面进行了测试，通过最小二乘法拟合消去各子孔径相对基准子孔径的调整误差以及整个系统的装调定位误差，得到了准确的全孔径面形分布。对实验精度和误差来源进行了分析，并将拼接面形与全孔径测量面形相对比，二者是一致的。     

Measurement of large aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry

A new method for testing aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry is introduced.It can test large-aperture and large-relative-aperture aspheric surfaces at high resolution, low cost, and high efficiency without auxiliary null optics. The basic principle of the method is described, the synthetical optimization stitching model and effective algorithm are established based on simultaneous least-square fitting. A hyperboloid with an aperture of 350 mm is tested by this method. The obtained peak-to-valley (PV) and root-mean-square (RMS) values of the surface error after stitching are 0.433λ and 0.052λ (λis 632.8 nm), respectively. The reconstructed surface map is coincide with the entire surface map from null test, and the difference of PV and RMS errors between them are 0.031λ and 0.005λ, respectively.This stitching model provides another quantitive method for testing large aspheric surfaces besides null compensation.     

激光束偏转法非球面面形测量和计算

提出了一种综合测量非球面面形的激光束偏转法 ,针对不同类型的非球面 ,共提出了三种方案 :平移法、转动法和平移转动法。该方法可测各种非球面 ,通用性强。并对激光束偏转法中对面形测量精度有极大影响的激光束反射角的测量作了重点介绍。实验结果显示 ,该方法测量精度达到λ/5～λ/10 ,接近干涉法的水平