作者单位
摘要
西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021
为了实现大像面、小投射比、高清画面要求,设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统,采用缩放法获得初始结构,由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系,计算获得了反射镜坐标数据,拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(ModulationTransferFunction,MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为 5.45mm,投射比为 0.4的物方远心系统,在投影距离 720mm时可投射 80inch画面,清晰度为 1080p,视场角为 136°,放大倍率约为 125倍,系统点列图均方根(RootMean Square,RMS)半径小于 750μm,畸变小于 0.2%,相对照度在 96%以上,其 MTF曲线幅值在 0.54lp/mm时均大于 0.3。公差分析表明,系统设计合理,成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头,该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面,有效降低了加工和装配难度。
超短焦投影 光学设计 折反式成像 非球面反射镜 公差分析 ultrashort focal projection optical design catadioptric imaging aspheric mirror tolerance analysis 
光学与光电技术
2023, 21(4): 75
作者单位
摘要
1 长春理工大学机电工程学院,吉林长春 130012
2 昆明物理研究所,云南昆明 650221
3 云南北方光学科技有限公司,云南昆明 650200
随着科技的进步,尖端产品和先进光电系统对光学系统的成像质量要求越来越高,光学非球面元件能有效地校正像差、减少系统所需光学元件数量、减轻系统重量,因此被广泛应用。其特殊的面形特征决定了它的加工和检测相对于球面更加困难,而检测精度直接决定了加工精度,非球面检测技术的重要性显而易见。根据测量原理对光学非球面的检测技术进行了概述;根据目前直接面形轮廓法在光学非球面的加工中应用最广的情况,结合最新检测手段,重点介绍了非球面直接面形轮廓法测量技术;并介绍了近年来日益受到人们关注的自由曲面及面形轮廓法在自由曲面检测的应用;最后总结了光学非球面检测技术的现状和发展趋势。
非球面 检测精度 直接面形轮廓法 自由曲面 aspherical surface, testing accuracy, direct surfa 
红外技术
2023, 45(5): 534
作者单位
摘要
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 恒迈光学精密机械(杭州)有限公司, 浙江 杭州 311421
全息光存储是一种利用全息方式去进行信息的记录和再现的存储方式。在同轴全息光存储中,需要光学头物镜对532nm和650nm两个工作波长聚焦于全息材料不同的焦面上,且都能达到良好的聚焦效果。由于记录和读取都在全息记录材料上,全息材料由保护层和记录层组成,由于折射率不均匀导致的像差会对物镜的聚焦效果产生影响。目前的商业物镜无法满足全息光存储中光学头的物镜需求。为了满足这类需求,达到良好的性能效果,论文利用Zemax OpticStudio 光学设计软件设计了一款针对全息光存储的双波长非球面光学头物镜,整体由一片非球面镜和一片球面镜组成。工作波长为532nm和650nm两个波长,焦距大于4mm小于6.2mm,像方数值孔径大于0.5,MTF值在空间频率为900lp/mm内均大于0.4,在全息材料上聚焦获得的波面相差均方根低于0.07波长。在上述技术指标下,该物镜具有较好的分辨能力和成像质量,论文方案为全息光存储光学头物镜的设计提供了新的思路。
光学设计 非球面 全息光存储 optical design aspheric surface holographic optical storage 
光学技术
2023, 49(3): 281
作者单位
摘要
南京邮电大学电子与光学工程学院,江苏 南京 210023
基于介电润湿液体透镜的原理,利用COMSOL仿真软件设计了方腔结构的非球面双液体透镜模型,分析了MATLAB工具对模型中界面面型的拟合精度。设计加工了具体的器件结构,研究了非球面双液体透镜的面型变化情况。通过图像处理和面型拟合分析,获得非球面面型的实验结果,验证了方腔结构的非球面液体透镜结构的可行性。
光学设计 液体透镜 介电润湿效应 非球面 optical design liquid lens dielectric wetting effect aspheric surface 
激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2122005
蔡梦雪 1,2,3,4王孝坤 1,2,3,4张志宇 1,2,3,4李凌众 1,2,3,4[ ... ]张学军 1,2,3,4
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
3 应用光学国家重点实验室,吉林 长春 130033
4 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,吉林 长春 130033
由于仪器传递函数(Instrument Transfer Function, ITF)能准确反映仪器在空间频率上的响应特征,被广泛应用于仪器规范之中。目前多采用刻有单一台阶特征或不同周期正弦特征的平面测试板对干涉仪的ITF进行检测。针对平面测试板无法完成高陡度球面/非球面镜检测时ITF标定的问题,提出了根据球面台阶测试板标定高陡度镜面检测的子孔径拼接ITF的方法。通过超精密车削技术制作了球面台阶测试板,并对其进行拼接检测,根据梯度定位法和旋转矩阵完成检测孔径中台阶的定位及采样,利用傅里叶变换方法实现对台阶实测面形的功率谱密度求解,最后与理想面形功率谱密度做比获得ITF。对口径100 mm、曲率半径100 mm、带有同心圆环台阶结构的球面台阶测试板进行拼接检测以及数据分析,实验结果表明:在1 mm−1的空间频率范围内,各个子孔径对高陡度镜面的检测水平平均可达到82.72%,具有较好的检测精度,随后ITF逐渐衰减,当空间频率在1.5 mm−1左右时,仅能达到40%~60%。
高陡度球面 高陡度非球面 仪器传递函数 子孔径拼接 球面台阶测试板 high-steep spherical surface high-steep aspheric surface instrument transfer function sub-aperture stitching spherical step test board 
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230462
作者单位
摘要
北京空间机电研究所,北京 100094
同轴四反式光学系统的研制可采用非球面主镜和四镜一体化成型制造法,该方法极大地降低了系统零件复杂度,同时减轻了整机质量,提高了装机效率,但对后期光学系统装调的自由度产生了约束,因此,在镜面制造过程中,两者的光轴一致性需要精确测量及控制。在现有干涉测量法的基础上,提出了一种检测两面共体非球面镜光轴一致性的方法。在干涉检测光路中,两个非球面表面的光轴通过精密调整和严格标定后分别引出到两个计算全息片(CGH)补偿器上,CGH经过设计后,其特定区域可发出平行光,经另一片CGH反射后在干涉仪中形成表征两片CGH夹角的干涉条纹,解算干涉条纹的波前倾斜可得出两非球面的光轴偏差,对一两面共体待测非球面光学零件进行了CGH设计和检测光路的误差分析,显示测试精度可以达到1″。设计投产了CGH补偿器,搭建干涉检测光路,完成了光轴一致性的测量,数据处理解析出的波前倾斜为(1.544λ,0.441λ),计算出光轴夹角为(0.007 0°, 0.002 0°),使用经纬仪复测的两片CGH的夹角为(0.007 1°, 0.001 9°)。使用轮廓仪法对干涉测量法结果进行了比对验证,分别扫描主镜和四镜的面形轮廓,统一坐标系后,主镜和四镜的光轴夹角为(0.007 1°, 0.002 0°),三者显示出较高的一致性。该方法具有直观性强、检测精度高的优点。
光学检测 光轴一致性测量 计算全息 两面共体非球面 optical testing optical axis testing computer generated hologram two-sided community aspheric 
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230476
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710119
2 国防科技大学 智能科学学院,湖南 长沙 410003
大口径离轴非球面光学元件的应用需求呈大幅增长趋势,如空间/地基大口径望远镜、航空光电和地面跟踪瞄准装置等。同时,日益增大的元件口径和越来越短的加工周期使得高效高精度制造工艺成为大口径离轴非球面光学元件加工的核心问题。精密磨削作为大口径离轴非球面元件的材料高效去除工序,磨削面形精度(Peak-Valley, PV)和损伤层深度直接决定了后续的抛光难度与周期。因此,开展了大口径离轴非球面光学镜面的控形控性高精度磨削研究,即提升大口径离轴非球面光学元件的磨削面形精度的同时降低磨削损伤深度,实现二者在数值上的协同逼近。在控形方面,确立了机床结构方面影响低频面形形状与精度的主要影响因素,探究了A轴零位误差、Y轴对中误差、砂轮形状尺寸误差、磨削方法路径和Z轴面形补偿等因素对面形精度的影响规律以实现工艺参数的协同控制与精度优化。在控性方面,获得了磨削损伤深度随磨削参数的变化规律并建立了磨削损伤深度与磨削表面粗糙度的映射关系,提出针对大口径离轴非球面磨削亚表层损伤抑制策略。对640 mm口径离轴非球面镜进行形性控制磨削实验后,面形精度达到3 μm,表面粗糙度Ra小于24 nm,Rz小于0.2 μm,依照表面粗糙度与亚表面损伤层深度映射关系,亚表面损伤层深度5 μm左右,逼近面型精度。经验证后续抛光周期大幅缩短,对大口径光学元件的高效高精度加工具有重要参考价值。
精密磨削 形性精度 面形精度 亚表层损伤 离轴非球面 precision grinding contour-performance accuracy form accuracy subsurface damage off-axis aspherical surface 
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230454
作者单位
摘要
1 哈尔滨工业大学 机电工程学院 精密工程研究所,黑龙江 哈尔滨 150001
2 华中科技大学 智能制造装备与技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074
机器人辅助轮带磨削是一种基于计算机控制光学成形技术的确定性加工方法,具有成本低、柔性好、智能程度高且操作空间大的优点,因此机器人辅助轮带磨削作为一种较低成本的高精度、多自由度加工方法逐渐受到关注。文中介绍了所设计的机器人辅助轮带磨削系统结构及其加工原理,装置通过气动系统进行输出压力的柔顺控制。研究了任意加工姿态下机器人辅助轮带磨削中的恒力加载问题,分析了轮带磨削工具悬臂组件重力分量对其末端输出接触力的影响,建立了末端执行器的重力分量模型,并提出了基于姿态传感器的重力补偿控制方法,能够实现0~63 N范围内的恒力控制,并且最大压力波动小于1.82%,重力补偿系统的响应时间小于300 ms,实现了轮带磨削工具在任意姿态下的恒力加载。最后,根据Hertz接触理论和Preston方程完成了磨削工具在工件接触区域内的压强分布和速度分布分析,建立了轮带磨削工具的去除函数模型,并对碳化硅曲面与硫化锌非球面进行修形磨削实验,验证了装置加工的稳定性。
机器人辅助加工 轮带磨削 重力补偿 去除函数 碳化硅曲面 硫化锌非球面 robot-assisted machining wheel abrasive belt grinding gravity compensation removal function silicon carbide curved surface zinc sulfide aspheric 
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230471
程德文 1,2,*黄逸伦 1,2李阳 1,2侯起超 1,2[ ... ]王涌天 1,2
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
超短焦偏振折反射虚拟现实(VR)镜头是新兴的近眼显示光学解决方案,能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理,说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势,并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度,提出将非球面转化为环形拼接非球面,并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题,引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头,在像质平衡优化后,全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势,并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程,原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。
光学设计 虚拟现实 近眼显示 拼接非球面 超短焦偏振折反射镜头 optical design virtual reality near-eye display stitched aspheric surface ultrashort focal polarization catadioptric lens 
光学学报
2023, 43(15): 1522001
宋鹏 1白杨 2杨超 1李闯 1[ ... ]郭杰 1
作者单位
摘要
1 长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春 130022
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
大口径离轴非球面反射镜进行高精度车削过程中,由离心力引起的微米级面形误差变得尤为重要。为了减小离轴非球面反射镜在车削过程中受离心力变形而引起的面形误差,对离轴非球面铝合金反射镜开展了单点金刚石车削工艺研究。通过分析离心力产生机理,构建了抑制离心力坐标变换加工模型;利用有限元仿真的方法优化了坐标变换的平移位移和旋转角度,最后基于优化结果对口径320 mm的RSA6061铝合金离轴非球面反射镜进行车削实验,获得了面形精度为RMS 0.198λ(λ=632.8 nm)的离轴非球面铝合金反射镜,验证了该优化加工方法的有效性。上述优化方式能够显著提高单点金刚石车削加工大口径离轴非球面反射镜的加工精度。
光学制造 离轴非球面 离心力误差 金刚石车削 optical manufacturing off-axis aspheric surface centrifugal force error diamond turning 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20220888

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