[發明專利]非球面光學元件在傳統加工階段的目標形狀優化方法

有效

• 申請號: 201210365143.3
• 申請日: 2012-09-26
• 公開（公告）號: CN102866499A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 張云;王于岳;祝徐興;馮之敬
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明屬于光學加工技術領域，特別涉及一種非球面光學元件在傳統加工階段的目標形狀優化方法。

背景技術

光學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，用于光學系統中的非球面通常為拋物面、雙曲面和橢球面等具有回轉對稱特性的曲面。為方便起見，回轉對稱非球面可簡稱為非球面。離軸非球面取自非球面，但偏離非球面的回轉軸，是一類特殊的非球面。一般離軸非球面元件本身沒有回轉對稱性，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稱性，可以是任意可能的形狀。

在現代光學系統中，適當引入非球面光學元件能夠代替兩個甚至多個球面光學元件，顯著減小系統體積和減輕系統重量。此外，使用非球面光學元件可以更為便捷地修正系統成像誤差，提高成像質量。因此，非球面光學元件的市場需求日趨強烈。

然而，生產非球面光學元件需要先進的制造和測量設備，導致目前非球面光學元件的制造成本高昂。除了熱壓成型技術外，其他大部分非球面光學元件制造技術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元件制造技術（傳統加工技術）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元件制造成本，通常在粗加工（傳統加工）階段，先生產一個表面形狀與該非球面接近的球面工件，然后在精加工（先進光學加工）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備的使用時間，進而降低了非球面光學元件的制造成本。

綜上所述，需要首先確定非球面光學元件在傳統加工階段的目標形狀（接近球面）。但由于大部分非球面加工技術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）下進行。

絕大部分情況下，光學系統中采用的非球面均為二次曲面。這是由于高次曲面的測量尚無成熟的解決方法，而二次曲面的測量較方便一些，并且二次曲面就能夠滿足大部分系統的設計要求。

如圖1所示，以離軸二次凹非球面鏡為例。確定接近球面的傳統方法如下。

在對稱平面z=0內，二次曲面的截面曲線為

y²=2R₀x-(1-e²)x²????????????????（1）

式（1）將所有二次曲線的頂點統一到坐標原點。其中R₀是原點處的曲率半徑，e為二次曲線的偏心率。P₁、P₂為離軸二次凹非球面鏡的邊界點。與普通回轉對稱非球面相同，傳統方法認為接近球面的球心仍在x軸上，記為(c,0)。令(c,0)到P₁、P₂點距離相同，可得：

c=x12-x22+y12-y222(x1-x2)---(2)]]>