自由曲面光学研究

ResearchonFree-Form程灏波冯云鹏王涌天（ChengHaoboFengYunpengWang（SchoolofOptoelectronics,BeijingInstituteofTechnology，Beijing 关键词AbstractFreeformsurfaceopticisoneoftheadvancedtechnologiesinthefieldofopticalengineering.Inimagingsystem,ithasirreplaceableadvantages,suchascorrectingaberration,improvingimagequality,reducingthenumberofunits,anddecreasingtheweightofthesystem.Inlightingsystem,itcannotonlyimprovethelightenergyutilization,butalsolowerthestrictrequirementsoflightingdirectionandprovidegreatdesignfreedom.Thepaperaimsathighlightingthefreefromopticsinviewofsuchkeyissucesasdesign,fabricationandmetrology.TB133的多透镜组合系统，利用棱镜内面镜的各面像差发生量只有传统透镜1/6

进光学制造检测技术并不易于实现。就单一光学元件面元件已经是一种突破，而针对复杂光学系统，如非对称式光学系统中精密三维自由曲面元件的高自由曲面光学系统的设计自由度较大，可以采取折射/反射相结合的方法，可实现避免中心遮拦的离轴有曲率的倾斜反射面折叠光路，这些表面引入的非对称像差，用传统的轴对称球面或非球面都无法完全校曲面光学系统设计功能。在选择自由曲面元件的描述z=C

1(a)显示了4片离轴自由曲面反射系统不加约2给出了出瞳为4mm时，自由曲面光学系统z 1+[1(1+K)C2x2(1+K)C2y2] 为曲面的矢高，Cx，Cyx，y轴方向的曲率；Kx，Kyx，y方向的二次曲面系数，在具体实施系统设计时，要根据实际应用需求，建立曲面在光学设计软件中的描述模型，研究相关的的描述方法和分配方案。压成形技术为代表的先进制造技术的蓬勃发展态势造有了更大的自由度和灵活性—光学系统向着光一体化（SysteminElements）方向发展[1]，并更进一步地推动了工业发达国家在复杂光学异形曲面，如自由曲面光学元件制造技术上投入大量资金和研究力量。2004年，此外，针对硬脆材料光学元件的零损伤研磨抛光加工也是一个技术难题。因此，非一致曲率光学自由曲面元重和特点[2]，后者以量产化成型制造技术为主攻方向，的加工思想，目前已经形成成熟的工艺规范和尖端的设备产品。利用其加工制造的精密金属模具、模仁等形方法目前已经可以实现量产化并具有较强的市场蚀环境下随时间推移将产生透光率下降等性能劣化制造工艺是迫切需要的，尤其在X射线等强光系

统中晶体、陶瓷等硬脆材料光学元件更是不可替代。500℃左右的熔融玻WC硬质合金或C陶瓷限制，被加工金属镜的表面存在微细的走刀纹路，欲使工件精度更高或适用于更宽光谱范围，往往需要进行后序的精细研磨和抛光处理工艺。欧美等国以高性能、高像质要求的复杂光电系计算机控制传统小工具研抛技术的实质和目工具头（1/4）进行研磨或抛材料的去除。该技术已经成功应用在大型空间遥感或地面观测仪器中的大口径甚至超大口径非球面元件（口径达到500mm以上）的精密制造中，为高质量应自由曲面等复杂曲面的曲率变化。考虑到这一点，受动器，并使其保持在39~49N预载荷条件下，优化控制小弹性球（5~8mm）的运动姿态和加工轨迹实施中小口径自由曲面（口径为5~202)磁流变和电流变加工技术同属具有实现表面[,5]的基本原理是利用混合磁性颗粒和抛光磨料的磁性抛光液，根据梯度磁场作BnghamQEDTehnologyQ22）所示[]。国内有关研究机构[]在20世纪末开展磁流变变抛光技术相似，电流变加工利用混合磨料的电流变液在外电场作用下的极化性能，通过控制外场来改变流体的粘度和局部的形状，实现材料去除。T.Kuryagawa等[]]BK7和硼硅玻璃曲面试件进0min18.6nm4.4m28nm2.5nm，但曲面面形精所示。作者设计开发了集正负电极于一体的点接触式电流变

钛、5.5%20kPa件下，材料去除率最高达到0.5mm/min1nm对于非一致曲率自由曲面加工理论模型与实验特征直接相关的加工轨迹优化同时避免边缘效应就显得尤为重要。如图4（a）所示，通过控制路径密度，率变化；对于非规则碎片轨迹，如图4（b）所示，可以自由曲面在x，y方向上局部曲率变化的不均匀性，曲面光学元件达到纳米级精度和表面粗糙度的要求。对于接触式轮廓测量技术，英国TaylorHobson公司在粗糙度测量仪基础上，研制的FormTalysurf系分辨率0.8nm的要求，实现二维轮廓的形状和粗糙结合子孔径拼接技术的干涉仪在某些自由曲面光学元件的测量中前景良好。环状子孔径法是把一个法再把它们缝合在一起形成整个面的面形误差。这个方法需要精密位移台和复杂的分析计算算法，环带较多时缝合较困难。400mm×400mm×90mm，轮廓最大倾斜范围达±60°，在±30°倾斜范围内测量精度达0.05μm10mg。德国物理技术研究所正试基于高速高精度数字莫尔移相干涉技术的自由复杂的标准被测波面，计算出干涉图（虚拟干涉图）。得到莫尔条纹，从而实现复杂波面的直接相干，并D采集的实际干涉图；另一条是理CCD采集带有部分补偿镜的结构参数，通过光线追迹的方法得到CD靶面处的波面，将此波面与虚拟的参考光束干用数字移相的方法得到4

将一幅实际干涉图分别与4幅移相理论干涉图莫尔4幅移相莫尔图像。对4幅移相莫尔图像拟合的泽尼克多项式系数等。处理过程如图5自由曲面光学是先进光学工程领域具有代表性收稿日期20090927;200910:(60978043)863Email: R.G.Ohl,T.A.Dow,A.Sohnetal..HighlightsoftheASPE2004wintertopicalmeetingonfreeformoptics:design,fabrication,metrology,assembly[C].SPIE,2004,5494:49~56H.Y.Tam,H.B.Cheng,Y.W.Wang.RemovalrateandsurfaceroughnessinthelappingandpolishingofRBSiCopticalcomponents[J].J.Mater.Process.Tech.,2007,192~193:276~280H.Hocheng,K.L.Kuo.Fundamentalstudyofultrasonicpolishingofmoldsteel[J].Int.J.Mach.Tool.Manufact.,2009,42(1):7~13W.I.Kordonski,S.D.Jacbos.Magnetorheologicalfinishing[J].Int.J.Mod.Phys.B,1996,10(2324):H.B.Cheng,Y.Yam,Y.T.Wang.ExperimentationonMRfluidusinga2axiswheeltool[J].J.Mater.Process.Tech.,2009,209(1213):5254~5261 H.Cheng,Z.Feng.Surfaceroughnessandmaterialremovalratewithmagnetorheologicalfinishingwithoutsubsurfacedamageofthesurface[J].J.Opt.Tech.,2005,72(11):865~871 T.Kuriyagawa,M.Saeki,K.Syoji.ElectrorheologicalfluidassistedultraprecisionpolishingforthreedimensionalParts[J].Precis.