专利名称：非球面光学元件在传统加工阶段的目标形状优化方法
技术领域：
本发明属于光学加工技术领域，特别涉及一种非球面光学元件在传统加工阶段的目标形状优化方法。
背景技术：
光学元件的表面形状通常有以下几种平面、球面、非球面和自由曲面。其中，用于光学系统中的非球面通常为抛物面、双曲面和椭球面等具有回转对称特性的曲面。为方便起见，回转对称非球面可简称为非球面。离轴非球面取自非球面，但偏离非球面的回转轴，是一类特殊的非球面。一般离轴非球面元件本身没有回转对称性，但由于其取自非球面，所以也将离轴非球面归入非球面分类中。自由曲面没有特定的对称性，可以是任意可能的形状。 在现代光学系统中，适当引入非球面光学元件能够代替两个甚至多个球面光学元件，显著减小系统体积和减轻系统重量。此外，使用非球面光学元件可以更为便捷地修正系统成像误差，提高成像质量。因此，非球面光学元件的市场需求日趋强烈。然而，生产非球面光学元件需要先进的制造和测量设备，导致目前非球面光学元件的制造成本高昂。除了热压成型技术外，其他大部分非球面光学元件制造技术均基于去除材料的原理，即逐步在工件表面去除多余材料，使表面形状更接近理想表面形状。由于目前的球面光学元件制造技术(传统加工技术)已很成熟且能够以低廉的成本制造球面，为了降低非球面光学元件制造成本，通常在粗加工(传统加工)阶段，先生产一个表面形状与该非球面接近的球面工件，然后在精加工(先进光学加工)阶段再将球面修整为非球面。这种方法可以缩短非球面制造设备的使用时间，进而降低了非球面光学元件的制造成本。综上所述，需要首先确定非球面光学元件在传统加工阶段的目标形状(接近球面)。但由于大部分非球面加工技术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条件(正去除量)下进行。绝大部分情况下，光学系统中采用的非球面均为二次曲面。这是由于高次曲面的测量尚无成熟的解决方法，而二次曲面的测量较方便一些，并且二次曲面就能够满足大部分系统的设计要求。如图I所示，以离轴二次凹非球面镜为例。确定接近球面的传统方法如下。在对称平面Z=O内，二次曲面的截面曲线为y2=2R0x_ (l_e2) X2(I)式(I)将所有二次曲线的顶点统一到坐标原点。其中Rtl是原点处的曲率半径，e为二次曲线的偏心率。Pi、P2为离轴二次凹非球面镜的边界点。与普通回转对称非球面相同，传统方法认为接近球面的球心仍在X轴上，记为(C，0)。令(c,0)到卩”己点距离相同，可得
权利要求
1.非球面光学元件在传统加工阶段的目标形状优化方法，所述的非球面光学元件为凹非球面光学元件，其特征在于，包括以下步骤 O以凹非球面光学元件的光轴为X轴，以光轴与凹非球面交点为原点建立笛卡尔直角坐标系oxyz,令凹非球面光学元件的对称平面与坐标系oxyz的xoy平面重合；xoy平面与凹非球面相交所得的曲线为P1Pn，设点Pi为曲线P1Pn上第i个点，PJA坐标为(xi； Yi, Zi),XpypZi分别为Pi点在坐标系X轴、y轴、z轴上的坐标值， = 1,2, “·η ;设点Qk为凹非球面上第k个点，Qk的坐标为(xk, yk, zk), xk> yk、zk分别为Qk点在坐标系x轴、y轴、z轴上的坐标值，k=l, 2, ...η, ...m, n〈m ;n和m为已知数； . 2)计算P1Pn上的第i个点Pi处的曲率圆圆心坐标(xvi,yvi, zvi)和半径rvi, xvi、yvi、zvi分别为曲率圆圆心在坐标系X轴、y轴、z轴上的坐标值， = 1,2, *··η ； . 3)建立η个接近球面Si,设它们的半径为ri;球心为Oi,Oi在xoy平面上，Oi的坐标为(χΜ, yoi, zoi), xoi> yoi> zoi分别为Oi点在坐标系x轴、y轴、z轴上的坐标值，i = 1，2，…η ；. 4)令第i个接近球面Si的球心与P1Pn上的第i个点Pi处的曲率圆圆心重合，令接近球面Si的半径与Pi处的曲率圆的半径相等，即(ΧΜ，yoi, Zoi) = (xvi, yvi, zvi), I^rvi ； . 5)对P1Pn上第i个点Pi和与Pi处的曲率圆对应的接近球面Si进行计算 . 5. I)计算凹非球面上第k个点Qk相对于第i个接近球面Si的去除量eki，
2.非球面光学元件在传统加工阶段的目标形状优化方法，所述的非球面光学元件为凸非球面光学元件，其特征在于，包括以下步骤 O以凸非球面光学元件的光轴为X轴，以光轴与凸非球面交点为原点建立笛卡尔直角坐标系oxyz,令凸非球面光学元件的对称平面与坐标系oxyz的xoy平面重合；xoy平面与凸非球面相交所得的曲线为P1Pn，设点Pi为曲线P1Pn上第i个点，PJA坐标为(xi； Yi, Zi),XpypZi分别为Pi点在坐标系X轴、y轴、z轴上的坐标值，i = l,2,…η,设点Qk为凸非球面上第k个点，Qk的坐标为(xk, yk, zk), xk> yk、zk分别为Qk点在坐标系x轴、y轴、z轴上的坐标值，k=l, 2, ...η, ...m, n〈m ;n和m为已知数； .2)计算P1Pn上的第i个点Pi处的曲率圆圆心坐标(xvi,yvi, zvi)和半径rvi, xvi、yvi、zvi分别为曲率圆圆心在坐标系X轴、y轴、z轴上的坐标值， = 1,2, *··η ； .3)建立η个接近球面Si,它们的半径为球心为Oi,Oi在xoy平面上，Oi的坐标为(χΜ, yoi, zoi), xoi> yoi> zoi分别为Oi点在坐标系x轴、y轴、z轴上的坐标值，i = 1，2，…η ； . 4)令第i个接近球面Si的球心与P1Pn上的第i个点Pi处的曲率圆圆心重合，令接近球面Si的半径与Pi处的曲率圆的半径相等，即(ΧΜ，yoi, Zoi) = (xvi, yvi, zvi), I^rvi ； .5)对P1Pn上第i个点Pi和与Pi处的曲率圆对应的接近球面Si进行计算 .5. I)计算凸非球面上第k个点Qk相对于第i个接近球面Si的去除量eki，
全文摘要
非球面光学元件在传统加工阶段的目标形状优化方法，属于光学加工技术领域。本发明以非球面光学元件的光轴为x轴，以光轴与非球面交点为原点建立笛卡尔直角坐标系，以非球面光学元件的对称平面与非球面相交所得的曲线上各点的曲率圆的圆心和半径为接近球面的初始值，非球面光学元件上各点进行逐点搜索，随时调整接近球迷的球心位置和半径值，以确保接近球面满足正去除量条件。由于没有将接近球面的球心限制在回转轴上，从而可以得到比传统方法更优的接近球面，从而避免了去除过多材料所带来的制造成本上升的问题。此外，还能以最大法向偏差量取最小值为目标对接近球面进行优化，从而得到有利于消减加工痕迹和中频面形误差的接近球面。
文档编号G02B27/00GK102866499SQ20121036514
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者张云, 王于岳, 祝徐兴, 冯之敬 申请人:清华大学