自由曲面光学技术
自由曲面在空间光学的应用
自由曲面在空间光学中的应用在当今的生活中，自由曲面（Free—form）扮演着越来越重要的角色.如汽车车身、飞机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。
到底什么是自由曲面？简单来讲，在工业上我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状，需要构造新的函数来进行研究；在光学系统中,光学自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。
在我们的日常生活中，打印机、复印机以及彩色CRT中都会用到光学自由曲面.鉴于光学自由曲面在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，所以,以下就自由曲面在空间光学方面的情况进行了调研。
一、自由曲面简介光学自由曲面没有严格确切的定义,通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面,主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。
光学自由曲面已经渗透到我们生活中的各个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。
自由曲面光学镜片主要有两种：一是自然形成的曲面;二是人工形成的曲面.人工形成的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。
二、自由曲面运用的原因空间遥感光学系统是在离地200km（低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点.如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。
光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，在一定F／＃的前提下,入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。
但入瞳直径的增加,意味着所有与孔径相关的像差增加。
受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一定程度（通常200mm以上）,光学系统一般采用反射式或折反射式方案。
为了简化光学系统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过运用自由曲面的应用，可以解决像差增大的问题。
自由曲面光学技术概述
3
1、经典研抛法
铣磨成型
即经过铣磨，将毛坯加工成需要的形状。 该形状需要提前做一计算，得到 最 大 去 除量形状，从而减轻后续过程任务量， 程任务量。该过程需要用到铣磨机，属 于下面要提到的粗磨的铣削加工，又称 范成法加工。
研磨
即用研磨剂，研磨光学元件表面以减少 成形过程中产产生的下表面损伤。这一 过程根据添加研磨剂尺寸不同，分为粗 磨 和 精 磨 。 精磨过程中还需要使用冷却 液，起到冷却、润滑、清洗和化学反应 等作用。精磨后的光学元件由于有凹凸 层的存在而形成不透明的表面，这也是 抛光的必要性所在。
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
1972年
发展历程 1980年
摩尔公司首先开发出了用3个坐标控制的 M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工 直径356mm的各种非球面的金属反射镜。 英国RankPneumo公司向市场推出了利用激 光反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可 加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加 工工件形状精度达0.25-0.5μ m，表面粗糙度 Ra在0.01-O.025μ m之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等 机床
3、CNC磨削、研磨和抛光技术
优缺点
其加工过程大致可以概述为计算机控制的精密机床先将工 件表面磨削成一个最接近自由曲面的球面，在不改变工件 面形精度的前提下，通过研磨加工去除偏离量，最后通过 抛光的方法达到曲面的表面质量要求， 左 图即为CNC磨削、 研磨和抛光流程图。此加工过程的特点是阶段多、周期长， 起始球面的选择对偏离量及工艺的制定起着决定性作用； 适合加工高精度、大及超大口径的光学元件；对碳化钨、 光学玻璃等脆硬材料有明显的优势。 不过，这种方法也有很多不足之处，如果要加工不同的自 由曲面零件，由于工件表面的光洁度和成形精度都需要通 过磨削、研磨和抛光来改善，就需要大量的研磨盘，提高 了成本，同时也增加了维护的难度；还有就是抛光过程中 不可避免的会产生一些形状误差，自由曲面的不对称度越 大，误差也就越大。
自由曲面光学
自由曲面光学
自由曲面光学是一种独特的光学设计方法，它与传统的球面或非球面光学设计方法不同。
自由曲面光学的主要思想是在设计过程中不再受限于特定形状的曲面，而是通过优化算法来生成最优曲面形状。
自由曲面光学的优势在于能够实现更高的光学性能和更广泛的
应用范围。
它可以应用于天文望远镜、激光系统、成像仪器等领域，并且可以实现更高的分辨率、更广的视场和更小的成像误差。
自由曲面光学的发展离不开计算机技术的支持，利用计算机模拟和优化算法可以快速生成最优的曲面形状。
同时，自由曲面光学也在不断地发展和完善，如何在实际应用中解决光学系统的制造和测试等问题也是目前研究的重点之一。
总之，自由曲面光学是一种具有广泛应用前景的光学设计方法，其发展将为人类探索更深奥的物理现象和改善人类生活带来更多可能。
- 1 -。
大视场光学自由曲面f-theta透镜设计
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 大视场光学自由曲面f-theta透镜设计摘要光学自由曲面是指没有旋转对称的光学面，一般无法由方程来描述，因此在设计中是个难点，而因为它优秀的特性，又成为了现今光学设计的热点。
F-theta透镜是一种特殊的透镜组，由于它像高与角度的高度线性关系，经常被应用于扫描等场合。
利用自由曲面进行F-theta透镜的设计可以提高镜头的使用性能。
本文以此为基础，利用Zernike多项式在Zemax 中对自由曲面进行定义，从多个途径出发尝试设计大视场F-theta透镜。
针对工作波长1064nm视场60°的系统要求，对四种常用结构设计进行了讨论，得到了相关经验数据以及比较结果。
此项研究适应光学设计的发展趋势，对现代光学工程的发展具有较大实验价值和理论价值。
12661关键词光学自由曲面F-theta 光学设计Zernike多项式1 / 11毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleDesign of large field f-theta lens with free-form surfaceAbstractOptical Free-form Surface generally refers to the optical surface without rotating axis of symmetry,that is cannot described by equation. But because its good features, it also becomes the hot spot of current optical designs . F-theta lens is a special kind of lens groups. Because of its image-high and angle have a perfect linearity,f-theta lens is often used in scanning and so on. In the system with 1064nm wavelength and 60°view angle,using free-form surface design can improve the performance of the F-theta lens. Based on this, use Zernike polynomial to define free surface in Zemax. Starting from multiple way trying to design big view F-theta lens. Discussing four different structures,to get some experience datas, and the comparison of the results. The study provides the advantageous condition for the development of modern---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ optical engineering.KeywordsFree-form Surface, F-theta lens,optical design, Zernike polynomials在像质要求较高、视场较大的场合中，我们也可以使用非球面光组在系统中校正像差、改善成像质量和简化结构。
自由曲面光束整形
自由曲面光束整形
自由曲面光束整形是一种先进的光学技术，用于控制和调整光束的形状和方向。
在许多应用中，如激光加工、照明、通信和医疗等领域，需要精确控制光束的形状和大小，以实现高效、精确和可靠的操作。
自由曲面光束整形技术可以满足这些需求，并具有一些独特的优势。
首先，自由曲面光束整形技术使用自由曲面的光学元件来控制光束的形状和方向。
这些元件的形状可以根据特定的需求进行设计和优化，从而实现更精确的光束控制。
与传统的光学元件相比，自由曲面的光学元件具有更高的灵活性和适应性，可以更好地适应各种复杂的光束整形需求。
其次，自由曲面光束整形技术可以实现高精度的光束整形。
通过精确控制光学元件的形状和位置，可以实现对光束的精确调整，包括光束的大小、形状和方向等。
这种高精度的光束整形可以实现更高的操作精度和更可靠的操作效果，对于需要精确控制光束的应用来说是非常重要的。
此外，自由曲面光束整形技术还具有高效、紧凑和轻便等优点。
由于使用了自由曲面的光学元件，因此可以减少传统光学系统的复杂性和体积，实现更高效、紧凑和轻便的光学系统。
这使得自由曲面光束整形技术成为许多应用领域的理想选择，特别是在需要高精度、高效率和小型化的应用中。
总之，自由曲面光束整形技术是一种先进的光学技术，用于控制和调整光束的形状和方向。
它具有高精度、高效、紧凑和轻便等优点，可以满足各种复杂的光束整形需求。
在未来的发展中，随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，自由曲面光束整形技术将会进一步发展和完善，为更多的应用领域提供更好的解决方案。
自由曲面在离轴反射光学系统中的应用
自由曲面光学元件的应用可以提高离 轴反射光学系统的性能和稳定性，为 实际应用提供更好的解决方案。
对于推动我国光学技术的发展和提升 我国在光学领域的国际竞争力具有重 要意义。
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THANKS
激光武器系统
离轴反射光学系统可以应用于激光武器系统 中，实现激光光束的高精度控制和瞄准。
航空航天领域
离轴反射光学系统可以应用于航空航天领域中，实 现航空器、卫星等的高精度导航和控制。
无人驾驶领域
离轴反射光学系统可以应用于无人驾驶领域 中，实现车辆的自动驾驶和精确导航。
03
自由曲面在离轴反射光学 系统中的应用
2
自由曲面光学元件的制造和检测技术不断发展 ，使得其在离轴反射光学系统中的应用越来越 广泛。
3
自由曲面光学元件在离轴反射光学系统中的应 用具有较高的学术价值和实用性，对于推动光 学技术发展具有重要意义。
研究不足与展望
01
自由曲面光学元件的制造和检 测技术仍存在一定的挑战，需 要进一步研究和改进。
02
自由曲面在离轴反射光学系 统中的应用
2023-11-06
目录
• 引言 • 离轴反射光学系统基础 • 自由曲面在离轴反射光学系统中的应用 • 自由曲面离轴反射光学系统的实验研究 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
背景
随着光学技术的不断发展，对光学系统的性能要求也越来越高，尤其是离轴反射光学系统。
自由曲面在系统制造中的应用
降低制造难度
相对于传统光学表面加工方法 ，自由曲面的制造难度较低， 因为它们不需要精确的球面或
柱面形状。
提高生产效率
自由曲面的制造可以使用大规模 生产方法，提高生产效率并降低 成本。
自由曲面光学技术
目前
待续
面型加工技术
美国的Precitech公司，仍无自己的自由曲面刀 具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然 Moore公司目前开发了自由曲面刀具轨迹生成 软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型 及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该 公司自己生产的机床，不具通用性。英国Zeeko 公司开发了自由曲面刀具轨迹生成软件，只适 用于抛光机，其切削机理及表面生成过程完全 不同于切削加工，不可应用于自由曲面的飞刀 铣削过程。
1972年
发展历程
1980年
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美 国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面 粗糙度RaO.0076μm，该机床可加工平面、球 面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程 所需的零件、红外线装置用的零件和大型天 体反射镜等。
加工技术发展历史
80年代以来，出现了许多种新的非球面 超精密加工技术，主要有：计算机数控单 点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、 计算机数控离子束成形技术、计算机数控 超精密抛光技术和非球面复印技术等，这 些加工方法，基本上解决了各种非球面镜 加工中所存在的问题。前四种方法运用了 数控技术，均具有加工精度较高，效率高 等特点，适于批量生产。
1
简介
精度
采用多轴超精密金刚石机床加工光学自由曲面 ,可达到亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙 的高精度水平。
优点
在成像系统中，该技术可以矫正像差、提高成像质量、减小系统单元数量及重量；在高性 能照明系统设计中，该技术不仅可以有效提高光能利用率，更可消除系统对照明方向性的 严格要求，并且提供了很大的设计自由度。
自由曲面光学的超精密加工技术及其应用
自由曲面光学的超精密加工技术及其应用自由曲面光学指的是将光学元件的表面形状设计为任意曲面，而不是传统的平面或球面。
这种技术的应用非常广泛，包括天文望远镜、激光器、显微镜等。
超精密加工技术是指在高精度、高效率、高质量的基础上实现自由曲面光学元件的加工。
这种技术通常采用数控磨削、激光切割、电火花加工等方法。
超精密加工技术在自由曲面光学领域的应用主要有以下几点：
天文望远镜：通过超精密加工技术实现高精度的自由曲面形状，提高望远镜的解析度和成像质量。
激光器：通过超精密加工技术实现高精度的自由曲面形状，提高激光器的能量转换效率和光束质量。
显微镜：通过超精密加工技术实现高精度的自由曲面形状，提高显微镜的成像质量和放大倍数。
总之，自由曲面光学的超精密加工技术是一种关键技术，在提高光学元件的性能和增强光学系统性能方面发挥着重要作用。
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发展历程
1990年
英国RankPneumo公司开发出Nanoform600， 该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜， 加工工件的形状精度优于0.1μm，表面粗糙度 优于0.01μm。
英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制 的大型超精密金刚石镜面切削机床，可以加 工大型X射线天体望远镜用的非球面反射镜(最 大直径可达1400mm，最大长度为600mm的圆 锥镜)。 日本制造的加工机床有：东芝机械研制的 ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、丰田工 机的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面 加工机床等。
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
加工技术发展历史
80年代以来，出现了许多种新的非球面 超精密加工技术，主要有：计算机数控单 点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、 计算机数控离子束成形技术、计算机数控 超精密抛光技术和非球面复印技术等，这 些加工方法，基本上解决了各种非球面镜 加工中所存在的问题。前四种方法运用了 数控技术，均具有加工精度较高，效率高 等特点，适于批量生产。
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自由光学曲面技术
光学工程 陈daye
目录
简介 面型加工技术
发展历史 面型检测技术
简介
光学自由曲面没有严格确切的定义，通常 指无法用球面或者非球面系数来表示的光 学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者 只能用参数向量来表示的曲面。
光学自由曲面已经渗透到我们生活中的各 个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多 焦点眼镜，就是自由曲面技术在眼用光学 镜片中的成功应用。
摩尔公司首先开发出了用3个坐标控制的 M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工 直径356mm的各种非球面的金属反射镜。
英国RankPneumo公司向市场推出了利用激光 反馈控制的两轴联动加工机床，该机床可加 工直径为350mm的非球面金属反射镜，加工 工件形状精度达0.25-0.5μm，表面粗糙度Ra在 0.01-O.025μm之间。随后又推出了ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300等机床
3、CNC磨削、研磨和抛光技术
优缺点
其加工过程大致可以概述为计算机控制的精密机床先将工 件表面磨削成一个最接近自由曲面的球面，在不改变工件 面形精度的前提下，通过研磨加工去除偏离量，最后通过 抛光的方法达到曲面的表面质量要求， 左 图即为CNC磨削、 研磨和抛光流程图。此加工过程的特点是阶段多、周期长， 起始球面的选择对偏离量及工艺的制定起着决定性作用； 适合加工高精度、大及超大口径的光学元件；对碳化钨、 光学玻璃等脆硬材料有明显的优势。 不过，这种方法也有很多不足之处，如果要加工不同的自 由曲面零件，由于工件表面的光洁度和成形精度都需要通 过磨削、研磨和抛光来改善，就需要大量的研磨盘，提高 了成本，同时也增加了维护的难度；还有就是抛光过程中 不可避免的会产生一些形状误差，自由曲面的不对称度越 大，误差也就越大。
3
1、经典研抛法
铣磨成型
即经过铣磨，将毛坯加工成需要的形状。 该形状需要提前做一计算，得到 最 大 去 除量形状，从而减轻后续过程任务量， 程任务量。该过程需要用到铣磨机，属 于下面要提到的粗磨的铣削加工，又称 范成法加工。
研磨
即用研磨剂，研磨光学元件表面以减少 成形过程中产 产 生 的 下 表 面 损 伤 。 这 一 过程根据添加研磨剂尺寸不同，分为粗 磨 和 精 磨 。 精磨过程中还需要使用冷却 液，起到冷却、润滑、清洗和化学反应 等作用。精磨后的光学元件由于有凹凸 层的存在而形成不透明的表面，这也是 抛光的必要性所在。
1
简介
精度
采用多轴超精密金刚石机床加工光学自由曲面 ,可达到亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙 的高精度水平。
优点
在成像系统中，该技术可以矫正像差、提高成像质量、减小系统单元数量及重量；在高性 能照明系统设计中，该技术不仅可以有效提高光能利用率，更可消除系统对照明方向性的 严格要求，并且提供了很大的设计自由度。
抛光
可以分为初抛光和精抛光等两个过程。 光学零件的抛光是获得光学表面的工序。 其目的首先是去除精磨的破坏层，达到 规定的表面疵病要求，其次是精修面形， 达到要求的光圈，形成透镜规则迹成形法主要包括使用成形工具的轨迹成形法、使用仿形靠模的轨迹成形法和使用机 构轨迹的成型法等几种。
目前
待续
面型加工技术
美国的Precitech公司，仍无自己的自由曲面刀 具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然 Moore公司目前开发了自由曲面刀具轨迹生成 软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型 及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该 公司自己生产的机床，不具通用性。英国Zeeko 公司开发了自由曲面刀具轨迹生成软件，只适 用于抛光机，其切削机理及表面生成过程完全 不同于切削加工，不可应用于自由曲面的飞刀 铣削过程。
2
发展历程
1638年
Kepler采用非球面透镜在近、远距离上 获得了无像差球面,奠定了非球面光学基 础
美国UnionCarbide公司研制成功了R―θ 方式的非球面创成加工机床。这是一台 具有位置反馈的双坐标数控车床，可实 时改变刀座导轨的转角θ和半径R，实现 非球面的镜面加工。加工直径达380mm， 加工工件的形状精度为±O.63μm，表面 粗糙度为0.025μm。
1972年
发展历程
1980年
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美 国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达 4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面 粗糙度RaO.0076μm，该机床可加工平面、球 面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程 所需的零件、红外线装置用的零件和大型天 体反射镜等。