大数值孔径、高次非球面透镜的加工与检验

通过一空间相机光学系统中某透镜的高次非球面表面加工过程,提出了一种基于小磨头数控光学表面成型技术(CCOS,Computercontrolopticalsurfacing)和非球面轮廓检验、零位补偿检验技术的中等口径高次非球面光学表面的加工、检测方法,并且给出了补偿器实际光学设计结果。文中采用这种方法加工的高次非球面表面,最终精度优于1λP V(λ=632.8nm),满足了设计要求。对这种技术的适用范围进行了简明的讨论。     

一种大相对孔径凸抛物面检验方法的研究

大口径凸非球面检验是非球面镜制造领域的难题之一。结合项目中一块相对孔径F/0.75,口径为332mm凸抛物面副镜的研制实例,在分析传统检验方法优缺点及适用性后,针对性地提出了一种类Offner透射补偿检验的新方法。基于三级像差理论出发求解其初始结构,使用Zemax软件分析与优化,从设计结果上看,此方法补偿精度很高,有效地补偿了非球面的法线像差。用蒙特卡洛方法分析给出公差分配方案,并研制出类Offner透射补偿器,用于凸抛物面镜的面型检验,表明此检验方法是完全可行的。实际加工完成后,用4D干涉仪检测镜面的面形精度达到RMS=0.0183λ优于λ/50(λ=632.8nm)。     

自准校正单透镜检验凸非球面的方法研究

针对凸非球面大口径、大相对孔径、全口径检验难的问题,提出了一种利用自准校正单透镜检验凸非球面的方法。该方法通过在单透镜的凸面镀半反半透膜构成自准校正透镜,校正非球面的球差,从而实现大口径凸非球面的全口径检验。依据三级像差理论,推导了初始结构参数计算公式,介绍了检验光学系统的设计方法;对口径为240.62 mm、相对孔径为0.48的凸扁球面光学检验系统进行了模拟设计。系统优化后的残余波像差峰谷(PV)值为0.00025λ,均方根(RMS)值为0.0001λ(λ=632.8 nm)。将该方法用于工程项目中口径为287 mm、相对孔径为0.74的凸双曲面反射镜检验中,测得镜面RMS为0.021λ,验证了该方法的可行性。最后对该方法的适用性以及像差校正能力进行分析。研究结果表明:该方法可以实现任意偏心率凸非球面的全口径检验,在大口径、大相对孔径凸非球面全口径检验时具有较大优势。     

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.     

离轴非球面反射镜补偿检验的计算机辅助装调技术研究

利用零补偿器实施离轴非球面元件面形的干涉检测中,为了实现反射镜的高准确度检测,对其干涉结果中的误差信息进行了分析.根据零补偿器的补偿原理,提出一种新的调整误差分离方法,建立了离轴非球面补偿检验的调整误差分离模型,并利用该模型对一块离轴非球面反射镜进行了仿真实验.调整前由调整误差引入的波像差为0.2332λRMS(λ=632.8nm),根据仿真结果调整后的波像差为0.0026λRMS,表明该方法具有较高的准确度,可有效提高检测效率.     

大型光学红外望远镜拼接非球面子镜反衍补偿检测光路设计

为了实现大口径、长焦距、批量化离轴镜面的高精度面形检验,本文提出了一种零位反衍补偿检测方案,采用计算全息和球面反射镜共同对离轴镜面法向像差进行补偿,检测光路波像差残差接近于零。检测方案为非轴对称离轴结构,设计了相应的全息对准光路,以保证检测光路装调切实可行。不同离轴量子镜检测光路参数完全一致,仅需更换相应位置计算全息片、调整待测镜空间姿态,即可实现不同类型镜面的快速批量化检验。误差分析结果表明,由补偿元件制造误差、光路失调、干涉仪面形测量重复性以及干涉仪标准球面波偏差引起的待测镜面形误差小于λ/40 (RMS值,λ=632.8 nm)。     

双胶合透镜法检测大相对孔径凸非球面透镜

大相对孔径凸非球面的检测一直是非球面制造的难点.本文结合两片大相对孔径凸椭球面透镜的检测,提出采用同种材料胶合的检测方法,并基于该检测方法加工得到了相对孔径分别为2.7和2的两块凸椭球面透镜.经检测,两块非球面透镜检测系统的最终波像差均方根值都优于1/30λ(λ=632.8nm),在实际光学系统应用中,系统的分辨率和弥散斑大小均满足系统的指标要求.产品的使用情况验证了本文采用的同种材料胶合的检测方法在理论和实践上是可行的,与传统的光学补偿法检测大非球面度、高陡度非球面相比,本文采用的胶合透镜法极大地简化了检测系统结构,降低了系统的装调难度,是一种有效的高准确度凸非球面检测方法.     

Φ520mmF/1.6椭球面反射镜加工

介绍了一块Φ520mm大相对孔径(F/1.6)轻量化椭球面反射镜的加工与检测方法。镜面的有效口径为Φ502mm,顶点曲率半径为1600mm,非球面系数k=-0.9663,面形精度要求优于0.025λ(RMS)。镜子背面有54个大小深浅不一的不通孔,用于减轻镜子的重量。采用WYKO干涉仪检测得到镜面面形误差达RMS0.02λ,λ=632.8nm。     

大口径非球面元件磁流变加工稳定性研究

重点分析了非球面元件磁流变加工的动态稳定性影响因素。设计了非球面元件的自动装调定位系统,提高了装调精度。采用一种拟合光栅式加工的新方法来验证其效果,通过测量元件表面形成的直线沟壑深度、宽度波动比例来评价去除的动态稳定性。在400 mm×400 mm口径的方形非球面元件上进行面形收敛验证实验,波长λ为632.8 nm时,加工后的透射波前误差PV值达到0.331λ,低频透射波前梯度误差GRMS值达到了0.008λ/cm。     

矩形口径离轴非球面在数控加工过程中的检测

介绍了空间相机中的离轴非球面第三反射镜 (矩形口径 )在数控加工过程中在研磨和抛光阶段的检测情况。利用自行研制的非球面测量机对研磨阶段离轴非球面的面形精度进行了测量 ,其最后的研磨精度达到了 1 μm(RMS)。抛光阶段离轴非球面的检测采用的是补偿法 ,其中零位补偿器是补偿检验的关键元件。该离轴非球面的最终面形达到了在 2 0 0mm通光口径内约λ/30的精度 (λ=0 .632 8μm)。     

光学系统纵向色差的仿真及验证

现有的焦距检测方法通常由于检测仪器光源波长与光学系统不完全匹配从而产生纵向色差影响检测结果。针对这一问题,研究光学系统纵向色差的变化规律,并确定在400 nm～1 000 nm波段用于表示其函数关系的Conrady公式和复消色差特性公式。根据光学系统近焦位置的离焦量与位置呈线性关系的特性, 提出使用菲索干涉仪测量5种不同波长的焦距位置,获得单透镜和双胶合镜头的纵向色差曲线。实验结果表明: 在400 nm～1 000 nm波段单色系统和消色差系统的纵向色差的函数关系分别符合Conrady公式和复消色差特性公式,研究结果为焦距的理论计算和精确检测提供了新的思路和参考。     

泛卡塞格林光学系统的色差研究

泛卡塞格林光学系统结构简单、像质优良,广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500～800nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数(MTF)的测量结果出发,结合泛卡塞格林光学系统的结构特点,分析表明光学设计的色差来源于其高次施密特非球面镜,提出了一种利用非球面镜的最小色差条件来改进光学系统的新方法。通过三级像差理论,分析了施密特非球面镜的面形方程,计算出最小色差条件及相应的中性带高度,进行光学设计的优化改进,取得了良好的效果。结果表明,改进后光学系统的色差由原来的31.4μm减少为4.25μm,且光学系统的MTF值达到0.6以上(40lp/mm),像质优良。该方法为类似光学系统的设计提供了一定的参考价值。     

激光靶心冲击波观测镜折反式光学系统设计

设计了一种激光靶心冲击波观测镜的光学系统.用反射式光学系统代替折射式光学系统,解决了普通玻璃在200 nm端透过率较低的问题.反射镜不引入色差,有利于系统在200~800 nm谱段消色差.为消系统轴外像差,反射系统选型为对称式.反射镜全部采用球面镜,为消反射镜以及平板玻璃窗带入的球差,引入校正镜(材料JGS1),在满足要求的条件下,控制折射镜的厚度,使系统色差满足瑞利判据的色差允差,得到了良好的成像质量.     

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。     

Diffractive-Refractive Achromatic Lens for Optical Disk System by Glass Molding

An erasable optical disk system requires an objective lens having minimum chromatic aberration. We estimated the chromatic aberration of a conventional refractive singlet. At shorter wavelengths, the focus shift of an objective lens exceeds its depth of focus. A diffractive-refractive hybrid lens can compensate chromatic aberration perfectly. Diffraction efficiency, however, decreases with the degree of compensation. We simulated the relationship between chromatic aberration and diffraction efficiency. Fabrication of designed lenses by glass molding was achieved, and the results showed excellent agreement with the simulation.     

液体透镜的透射波前特性研究

液体透镜是一种新型光学元件,通过改变表面曲率而调整光焦度.液体透镜的透射波前质量会影响成像质量,将液体透镜应用于精密光学系统需要探明其透射波前变化特性.通过理论和仿真分析液体透镜通光孔径内不同高度入射光线的光程差随曲率半径的变化,以及光程差对光焦度的敏感性,以此研究光瞳空间内光程差微变的一致性.分别测量液体透镜在零、正...     

一种凸非球面镜补偿检验的新方法

凸非球面检验是光学检验中一个比较困难的问题。结合一块Φ110mm的凸双曲面镜,在分析几种传统检验方法的基础上,提出了一种用透镜组补偿检验凸非球面的新方法。令球差系数∑S1=0,用三级像差理论求解光学系统的初始结构,并通过Zemax光学设计软件对初始结构进行优化,克服了传统检验方法的缺点和不足。从设计结果可以看出,系统的像差得到了很好的校正,使得凸双曲面达到了很高的检验精度,从而使非球面的检验更加方便。     

石英薄板的数控加工技术

在高功率固体激光装置要求的所有平面透射光学元件中 ,熔石英材料的屏蔽片是光学冷加工难度最高的元件之一 ,加工要求为单次透射波前畸变为λ/ 6(λ =632 8nm )。其外形尺寸径厚比大于 30 :1,远远超出普通光学元件径厚比小于 10 :1的要求。由于径厚比大 ,所以光学元件在加工和测量的过程中很容易受到重力、装夹力等的影响而变形 ,影响加工和检测的精度。介绍了采用新兴的数控加工技术有效的避免了加工过程中各种装夹力、重力对面型的影响 ;通过优化参数 ,加工效率也得到了有效的提高。     

地平式离轴扩束光学系统装调技术

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调,利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测,并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题,提出一种动态检测方法。根据实际装调结果,建立空间直角坐标系,利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明,采用自准直检测及动态检测方法,主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm,系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm,二轴正交误差为2.06″。