下载文档原格式
二元光学在凸非球面零件检测中的应用
二元光学是一种非常实用的光学技术，在工业生产中有广泛的应用。
而在凸非球面零件的检测中，二元光学也能够发挥其独特的优势，提高产品的质量和生产效率。
凸非球面零件是指表面不同于球面的凸曲面。
由于其形状的特殊性，传统的光学检测方法难以对其进行有效的检测。
而二元光学通过
将两个不同的光源进行叠加，形成明暗交替的条纹，从而达到对非球
面零件曲面的检测。
该技术需要特殊的设备支持，主要包括两个光源、一组精密的透
镜和检测器。
其中，两个光源需要同时照射到被测物体上，形成相互
交替的亮线和暗线。
而透镜和检测器则需要将这些亮暗条纹转化为数
字信号，从而获得凸非球面零件表面的精确信息。
通过二元光学技术进行凸非球面零件的检测，可以大大提高产品
的质量和生产效率。
它不仅可以检测零件的外形和曲率，还可以捕捉
到微小的表面缺陷和变形。
这有助于避免产品的无效制造和缺陷的产生，同时也减少了人工检测的时间和成本。
总之，二元光学技术在凸非球面零件检测中发挥着非常重要的作用。
它能够提高生产效率、降低成本，同时还能够保证产品的质量和
安全。
未来，随着技术的不断发展，相信二元光学技术将会在更多的
工业生产领域得到广泛应用。
非球面光学元件检测方法学院：光电学院学号：************：***2012 年11 月摘要：随着当今社会生活要求的提高，非球面在越来越广泛的领域所运用，因此非球面的质量迫切需要提高，非球面的检测技术成为研究的热点。
该文阐述了光学投影式、郎奇检验法、曲面CGH全息图检测法和双波带板产生径向剪切干涉法四中比较热门的非球面检测法，介绍了上述几种方法的原理、光学系统和数据处理方式，并且归纳了检测技术总体的发展趋势。
关键词:非球面；检测方法；郎奇光栅；波带板；剪切干涉1 绪论1.1 非球面的定义以及检测方法的分类1.1.1 引言人们在几百年前就认识到非球面光学元件在光学应用上相对于球面光学元件有很多优势。
但是由于受到加工水平和加工工艺的限制，一直以来非球面光学元件没有得到真正的广泛应用。
直到上世纪七十年代，非球面镜片才开始不断的被应用到实际生产中。
由于实际生产的需要，人们不断的尝试加工出更精确的非球面光学元件，因此非球面光学技术得到发展。
八十年代后，由于计算机的应用和激光干涉技术的发展，非球面技术得到了蓬勃的发展。
非球面光学元件的面形质量直接影响其成像质量，是其广泛应用的最关键的技术之一，面形质量就是指加工制成的表面形状和理论形状的符合程度。
对光学表面来说，表面的实际形状相对于理论形状允许一定的偏差。
一般用光的波长的几分之几来表示。
光学元件的面形检测就是指找到实际面形相对于理论形状的偏差。
找到这个偏差就是检验的基本目的。
1.1.2 非球面的定义：非球面是相对于球面定义的，球面是由一个参数，即球面半径来决定它的面形，而非球面可以拥有多个参数，参数之间没有一定的关系可循，可以是连续变化的。
按照有无回转轴可以将非球面划分为两大类：有回转轴的包括抛物面、椭圆面等；没有回转轴的包括离轴抛物面等[1]。
面上每一点的曲率半径都相同的面为球面。
而面上每一点的曲率半径随着曲面的位置而改变的面就是非球面。
非球面分为凸非球面和凹非球面两大类，包括双曲面、抛物面、椭圆面等等。
光学非球面的设计、加工与检验光学非球面的设计、加工与检验是现代光学技术领域的重要内容。
非球面镜头是一种光学元件，其曲率半径不是球形，可以用于改变光路、调整成像质量和改善成像形态等方面。
在非球面镜头的设计过程中，需要充分考虑光线的折射和反射，
以及材料的折射率和色散等因素。
设计师需要采用先进的光学软件进
行模拟优化，不断调整镜片形状和参数，以达到最优光学效果。
加工非球面镜头是一个复杂而精密的过程。
需要采用高精度加工
设备和技术，以确保镜片的形状和表面质量。
在加工过程中需要考虑
到材料的特性，如可加工性、耐磨性和耐腐蚀性等，并进行合理的质
量控制。
镜片检验是保证光学精度的关键步骤。
可以采用光学检测设备进
行检验，如干涉仪、激光测量仪等。
通过检验，可以了解镜片表面的
误差和偏差，从而进行调整和改进，提高光学成像质量和精度。
总之，非球面镜头的设计、加工和检验是一个紧密相连的过程，
需要充分考虑光学原理和技术要求，并采用先进的设备和技术手段，
以确保光学元件的高质量和高性能。
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面（aspherical）的设计、加工与检验是光学领域中非
常重要的主题。
与球面镜不同，非球面镜的曲率半径是不同的，从而
可以实现更复杂的光路设计，使得像差和畸变得到校正。
首先，非球面镜的设计通常采用光学设计软件，如Zemax、Code
V等。
设计师需要根据系统的要求，选择合适的非球形曲率，并进行优化，以达到更好的成像质量。
此外，许多非球面元件是自由曲面，其
形状没有数学解析式，因此需要进行参数化建模，并通过优化算法，
对设计进行特定的目标函数的优化。
然后，非球面镜的加工也有其特殊性。
传统的机械加工难以精确
地制造复杂曲率的非球面，因为这需要超高精度的加工设备和领域专
家的卓越技能。
目前，许多先进的加工技术已经得到应用，例如电解
抛光、激光抛光等。
这些高效、高精度的加工技术，使得制造非球面
镜变得更加容易和可行。
最后，非球面镜的检验也是必不可少的。
由于非球面曲率形状是
非常复杂的，无法被通用的球差检验方法所测量。
因此，许多特殊的
检验方法已经被提出。
例如干涉法、投影法、衍射法等。
这些方法可
以精确地测量非球面镜的曲率和形状，确保其具备高精度的成像功能。
综上所述，非球面光学元件的设计、加工以及检验是光学领域的
重要组成部分，对于现代光学系统的优化和实用化起到了关键性的作用。
第１９卷 第４期２０１１年４月 光学精密工程 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．１９ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１１ 收稿日期：２０１０－０４－１９；修订日期：２０１０－０８－０６． 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（Ｎｏ．６１０３６０１５）文章编号 １００４－９２４Ｘ（２０１１）０４－０７０９－０８离轴非球面的计算全息图高精度检测技术黎发志１，２，罗 霄１，２，赵晶丽１，薛栋林１，郑立功１，张学军１（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）摘要：为了实现离轴非球面高精度定位、光路对准及面形检验，提出了一种使用计算全息图（ＣＧＨ）技术实现离轴非球面高精度光学检测的方法。
将被检非球面倾斜平移后作为轴上自由曲面进行ＣＧＨ补偿检测设计，从而减小了检测光路的相对口径和ＣＧＨ所需补偿像差，提高了ＣＧＨ检测精度。
使用自行开发的ＣＧＨ专用设计计算软件，设计完成的ＣＧＨ同时具有非球面检验、检测光路对准、被检非球面基准定位等多项功能。
采用该方法设计（设计精度优于λ／１０ ０００ｒｍｓ）并制作ＣＧＨ对面形精度优于λ／５０ｒｍｓ的离轴非球面进行了检测，误差分析表明，其检测精度优于λ／１００，与传统ｎｕｌｌ－ｌｅｎｓ方法的检测结果精确吻合。
实验表明，采用该ＣＧＨ可同时实现离轴非球面位置高精度定位、ＣＧＨ与干涉仪对准以及离轴非球面高精度面形检验。
关 键 词：计算全息图；衍射光学元件加工；离轴非球面；光学检测中图分类号：ＴＱ１７１．６５；Ｏ４３８．２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１１１９０４．０７０９Ｔｅｓｔ ｏｆ ｏｆｆ－ａｘｉｓ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｉｔｈ ＣＧＨＬＩ Ｆａ－ｚｈｉ １，２，ＬＵＯ Ｘｉａｏ１，２，ＺＨＡＯ Ｊｉｎｇ－ｌｉ １，ＸＵＥ Ｄｏｎｇ－ｌｉｎ１，ＺＨＥＮＧ Ｌｉ－ｇｏｎｇ１，ＺＨＡＮＧ Ｘｕｅ－ｊｕｎ１（１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｇｅｎｅｒａｔｅ Ｈｏｌｏｇｒａｍ（ＣＧＨ）ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｐｒｅ－ｃｉｓｅｌｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆｆ－ａｘｉｓ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ａｌｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃｓ ｉｎ ｔｅｓｔｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｏｆｆ－ａｘｉｓ ａｓ－ｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｅｒｅ ｔｉｌｔ－ｔｒａｎｓｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ａｓ ａｎ ｏｎ－ａｘｉｓ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｏｐｔｉｃｓ ｔｏ ｍｉｎｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｒｏｎｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｅｔｕｐ．Ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎｔｈｅ ＣＧＨ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｓｅｃｔｉｏｎｓ，ｉ．ｅ．ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｉｎ ｎｕｌｌ ｔｅｓｔ，ａ－ｌｉｇｎｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＣＧＨ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ａｎｄｐｒｏｊｅｃｔｉｎｇ ｆｉｄｕｃｉａｌ ｍａｒｋｓ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃｓ．Ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｏｆｆ－ａｘｉｓ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ａｆｉｇｕｒｅ ｅｒｒｏｒ ｌｅｓｓ ｔｈａｎλ／５０ｒｍｓ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＣＧＨ ｄｅｓｉｇｎ ｅｒｒｏｒｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎλ／１０ ０００ｒｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎλ／１００ｒｍｓ．Ｔｈｅｓｅ ｄａｔａ ａｇｒｅｅ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｗｉｔｈ ｎｕｌｌ ｌｅｎｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｌｓｏ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｆｉｄｕｃｉａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｓａｎｄ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈａｔ ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｅｓ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｂｙ ＣＧＨｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｆｉｄｕｃｉａｒｙ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｏｆｆ－ａｘｉｓ ｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ（ＣＧＨ）；Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ（ＤＯＥ）ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｏｆｆ－ａｘｉｓ ａｓｐｈｅｒｉｃｓ；ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ１ 引 言 离轴光学系统具有无中心遮拦、传递函数高、结构紧凑、易同时实现大视场与高分辨率等优点，典型离轴光学系统应用于空间遥感的离轴三反光学系统［１］或真空紫外光刻的离轴四反光学系统［２－３］均以其优越的性能而备受青睐。
改进的离轴三反光学系统的设计赵文才【摘要】基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点.以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50 lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0.93.与传统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍.文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考.%The key design of off-axial Three-mirror Anastigmat (TMA) systems was summarized, and an improved design of the off-axial TMA optical systems was proposed with a new optical structure. By taking two designed systems for examples, the optical elements of the TMA system were reasonably arranged, the secondary mirror was designed as a spherical surface, and the primary and the third mirrors were optimized with high-order aspheric coefficients. Obtained results show that the Modulation Transform Function(MTF) curve of the designed system approaches to the optical diffraction limit with an improved value of 0. 6 at the spatial frequency of 50 pl/mm. Compared with the common off-axial TMA optical system, the Strehl ratio can be increased from 0. 91 to 0. 93. The surface tolerance is relaxed from λ/50 to λ/40, and the assembling tolerances of the primary mirror, sec ond mirror and the third mirror can be relaxed by a factor of 4. The improved designmakes the manufacture and assembly of the off-axial TMA optical system much easier, and helps the system to achieve excellent performance in the level of optical diffraction limit. These are beneficial to the popularization of off-axial TMA optical systems.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)012【总页数】7页(P2837-2843)【关键词】空间光学遥感器;光学设计;离轴三反光学系统;光学加工;光学装调【作者】赵文才【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TP73;TH7031 引言无论在军事还是民用领域，高分辨率空间遥感都有广阔的应用前景，目前其主要形式仍是通过光学相机对地观测。
