專利名稱：非球面光學(xué)元件在傳統(tǒng)加工階段的目標(biāo)形狀優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種非球面光學(xué)元件在傳統(tǒng)加工階段的目標(biāo)形狀優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)元件的表面形狀通常有以下幾種平面、球面、非球面和自由曲面。其中，用于光學(xué)系統(tǒng)中的非球面通常為拋物面、雙曲面和橢球面等具有回轉(zhuǎn)對(duì)稱特性的曲面。為方便起見，回轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面可簡(jiǎn)稱為非球面。離軸非球面取自非球面，但偏離非球面的回轉(zhuǎn)軸，是一類特殊的非球面。一般離軸非球面元件本身沒有回轉(zhuǎn)對(duì)稱性，但由于其取自非球面，所以也將離軸非球面歸入非球面分類中。自由曲面沒有特定的對(duì)稱性，可以是任意可能的形狀。 在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，適當(dāng)引入非球面光學(xué)元件能夠代替兩個(gè)甚至多個(gè)球面光學(xué)元件，顯著減小系統(tǒng)體積和減輕系統(tǒng)重量。此外，使用非球面光學(xué)元件可以更為便捷地修正系統(tǒng)成像誤差，提高成像質(zhì)量。因此，非球面光學(xué)元件的市場(chǎng)需求日趨強(qiáng)烈。然而，生產(chǎn)非球面光學(xué)元件需要先進(jìn)的制造和測(cè)量設(shè)備，導(dǎo)致目前非球面光學(xué)元件的制造成本高昂。除了熱壓成型技術(shù)外，其他大部分非球面光學(xué)元件制造技術(shù)均基于去除材料的原理，即逐步在工件表面去除多余材料，使表面形狀更接近理想表面形狀。由于目前的球面光學(xué)元件制造技術(shù)(傳統(tǒng)加工技術(shù))已很成熟且能夠以低廉的成本制造球面，為了降低非球面光學(xué)元件制造成本，通常在粗加工(傳統(tǒng)加工)階段，先生產(chǎn)一個(gè)表面形狀與該非球面接近的球面工件，然后在精加工(先進(jìn)光學(xué)加工)階段再將球面修整為非球面。這種方法可以縮短非球面制造設(shè)備的使用時(shí)間，進(jìn)而降低了非球面光學(xué)元件的制造成本。綜上所述，需要首先確定非球面光學(xué)元件在傳統(tǒng)加工階段的目標(biāo)形狀(接近球面)。但由于大部分非球面加工技術(shù)基于去除材料的原理，所以接近球面的求解要在一定的限制條件(正去除量)下進(jìn)行。絕大部分情況下，光學(xué)系統(tǒng)中采用的非球面均為二次曲面。這是由于高次曲面的測(cè)量尚無成熟的解決方法，而二次曲面的測(cè)量較方便一些，并且二次曲面就能夠滿足大部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。如圖I所示，以離軸二次凹非球面鏡為例。確定接近球面的傳統(tǒng)方法如下。在對(duì)稱平面Z=O內(nèi)，二次曲面的截面曲線為y2=2R0x_ (l_e2) X2(I)式(I)將所有二次曲線的頂點(diǎn)統(tǒng)一到坐標(biāo)原點(diǎn)。其中Rtl是原點(diǎn)處的曲率半徑，e為二次曲線的偏心率。Pi、P2為離軸二次凹非球面鏡的邊界點(diǎn)。與普通回轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面相同，傳統(tǒng)方法認(rèn)為接近球面的球心仍在X軸上，記為(C，0)。令(c,0)到卩”己點(diǎn)距離相同，可得
權(quán)利要求
1.非球面光學(xué)元件在傳統(tǒng)加工階段的目標(biāo)形狀優(yōu)化方法，所述的非球面光學(xué)元件為凹非球面光學(xué)元件，其特征在于，包括以下步驟 O以凹非球面光學(xué)元件的光軸為X軸，以光軸與凹非球面交點(diǎn)為原點(diǎn)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系oxyz,令凹非球面光學(xué)元件的對(duì)稱平面與坐標(biāo)系oxyz的xoy平面重合；xoy平面與凹非球面相交所得的曲線為P1Pn，設(shè)點(diǎn)Pi為曲線P1Pn上第i個(gè)點(diǎn)，PJA坐標(biāo)為(xi； Yi, Zi),XpypZi分別為Pi點(diǎn)在坐標(biāo)系X軸、y軸、z軸上的坐標(biāo)值， = 1,2, “·η ;設(shè)點(diǎn)Qk為凹非球面上第k個(gè)點(diǎn)，Qk的坐標(biāo)為(xk, yk, zk), xk> yk、zk分別為Qk點(diǎn)在坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸上的坐標(biāo)值，k=l, 2, ...η, ...m, n〈m ;n和m為已知數(shù)； . 2)計(jì)算P1Pn上的第i個(gè)點(diǎn)Pi處的曲率圓圓心坐標(biāo)(xvi,yvi, zvi)和半徑rvi, xvi、yvi、zvi分別為曲率圓圓心在坐標(biāo)系X軸、y軸、z軸上的坐標(biāo)值， = 1,2, *··η ； . 3)建立η個(gè)接近球面Si,設(shè)它們的半徑為ri;球心為Oi,Oi在xoy平面上，Oi的坐標(biāo)為(χΜ, yoi, zoi), xoi> yoi> zoi分別為Oi點(diǎn)在坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸上的坐標(biāo)值，i = 1，2，…η ；. 4)令第i個(gè)接近球面Si的球心與P1Pn上的第i個(gè)點(diǎn)Pi處的曲率圓圓心重合，令接近球面Si的半徑與Pi處的曲率圓的半徑相等，即(ΧΜ，yoi, Zoi) = (xvi, yvi, zvi), I^rvi ； . 5)對(duì)P1Pn上第i個(gè)點(diǎn)Pi和與Pi處的曲率圓對(duì)應(yīng)的接近球面Si進(jìn)行計(jì)算 . 5. I)計(jì)算凹非球面上第k個(gè)點(diǎn)Qk相對(duì)于第i個(gè)接近球面Si的去除量eki，
2.非球面光學(xué)元件在傳統(tǒng)加工階段的目標(biāo)形狀優(yōu)化方法，所述的非球面光學(xué)元件為凸非球面光學(xué)元件，其特征在于，包括以下步驟 O以凸非球面光學(xué)元件的光軸為X軸，以光軸與凸非球面交點(diǎn)為原點(diǎn)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系oxyz,令凸非球面光學(xué)元件的對(duì)稱平面與坐標(biāo)系oxyz的xoy平面重合；xoy平面與凸非球面相交所得的曲線為P1Pn，設(shè)點(diǎn)Pi為曲線P1Pn上第i個(gè)點(diǎn)，PJA坐標(biāo)為(xi； Yi, Zi),XpypZi分別為Pi點(diǎn)在坐標(biāo)系X軸、y軸、z軸上的坐標(biāo)值，i = l,2,…η,設(shè)點(diǎn)Qk為凸非球面上第k個(gè)點(diǎn)，Qk的坐標(biāo)為(xk, yk, zk), xk> yk、zk分別為Qk點(diǎn)在坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸上的坐標(biāo)值，k=l, 2, ...η, ...m, n〈m ;n和m為已知數(shù)； .2)計(jì)算P1Pn上的第i個(gè)點(diǎn)Pi處的曲率圓圓心坐標(biāo)(xvi,yvi, zvi)和半徑rvi, xvi、yvi、zvi分別為曲率圓圓心在坐標(biāo)系X軸、y軸、z軸上的坐標(biāo)值， = 1,2, *··η ； .3)建立η個(gè)接近球面Si,它們的半徑為球心為Oi,Oi在xoy平面上，Oi的坐標(biāo)為(χΜ, yoi, zoi), xoi> yoi> zoi分別為Oi點(diǎn)在坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸上的坐標(biāo)值，i = 1，2，…η ； . 4)令第i個(gè)接近球面Si的球心與P1Pn上的第i個(gè)點(diǎn)Pi處的曲率圓圓心重合，令接近球面Si的半徑與Pi處的曲率圓的半徑相等，即(ΧΜ，yoi, Zoi) = (xvi, yvi, zvi), I^rvi ； .5)對(duì)P1Pn上第i個(gè)點(diǎn)Pi和與Pi處的曲率圓對(duì)應(yīng)的接近球面Si進(jìn)行計(jì)算 .5. I)計(jì)算凸非球面上第k個(gè)點(diǎn)Qk相對(duì)于第i個(gè)接近球面Si的去除量eki，
全文摘要
非球面光學(xué)元件在傳統(tǒng)加工階段的目標(biāo)形狀優(yōu)化方法，屬于光學(xué)加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明以非球面光學(xué)元件的光軸為x軸，以光軸與非球面交點(diǎn)為原點(diǎn)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，以非球面光學(xué)元件的對(duì)稱平面與非球面相交所得的曲線上各點(diǎn)的曲率圓的圓心和半徑為接近球面的初始值，非球面光學(xué)元件上各點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)搜索，隨時(shí)調(diào)整接近球迷的球心位置和半徑值，以確保接近球面滿足正去除量條件。由于沒有將接近球面的球心限制在回轉(zhuǎn)軸上，從而可以得到比傳統(tǒng)方法更優(yōu)的接近球面，從而避免了去除過多材料所帶來的制造成本上升的問題。此外，還能以最大法向偏差量取最小值為目標(biāo)對(duì)接近球面進(jìn)行優(yōu)化，從而得到有利于消減加工痕跡和中頻面形誤差的接近球面。
文檔編號(hào)G02B27/00GK102866499SQ20121036514
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者張?jiān)? 王于岳, 祝徐興, 馮之敬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)