自由曲面成像光学系统设计:理论、发展与应用

传统球面以及非球面可供光学系统设计使用的自由度较少。自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束,特别适用于校正非旋转对称系统的像差,同时可以减少系统中元件的数量,减小系统的体积与质量,实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能。自由曲面为光学设计的发展注入了巨大潜力,但同时也带来了全新的困难与挑战。概括性地总结了自由曲面成像系统设计的研究现状。简要介绍了自由曲面的常用数学描述与自由曲面成像系统的像差理论,总结了自由曲面成像系统的设计方法,并对自由曲面在各类成像系统中的应用进行概述。最后,对自由曲面成像光学设计的未来发展方向进行了讨论与展望。     

超短焦投影系统中自由曲面的多视场优化迭代 设计方法

为解决超短焦投影系统中自由曲面反射镜的设计难题,提出一种适用于大视场成像光学系统的自由曲面设计方法,即多视场优化迭代法.该方法以一个反射平面作为设计起始面,基于多视场下物像的对应关系,并根据反射面的法线方向,通过加权优化迭代计算得到自由曲面反射面的形貌.采用基于该方法得到的自由曲面优化设计了一种折反式超短焦投影物镜,可将0.65inch的数字微镜器件芯片在230mm投影距离处放大为100inch的投影画面.物镜的调制传递函数在0.43lp/mm处优于0.4,最大畸变优于1%.该方法简单易行,可为大视场成像系统中自由曲面的设计提供有益参考.     

复杂光学曲面数理描述和设计方法研究

为满足高性能光学系统的设计要求，需要研究面形灵活可控的光学曲面数理描述方法和其相应的分析及设计方法。具有更多自由度的复杂光学曲面可以有效提升光学系统的性能。简要讨论了光学曲面的数理描述方法；概括性地介绍了光学曲面数理描述方法的研究现状与进展，介绍了局部和整体面形控制方法，归纳总结了新的复杂光学曲面数理描述方程，并通过实例证明相关曲面应用的可行性和有效性。最后对曲面数理描述方法的未来发展进行了讨论和展望。     

利用CODE V设计含有自由曲面的光学系统

由于自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，使光学系统的结构得到了简化，像质得到了提高。本文通过设计实例详细介绍了在光学设计软件CODE V中运用用户自定义面型UDS（user defined surface）的功能和计算机动态链接库DLL(dynamic link library)软件技术设计含有自由曲面光学系统的方法。通过利用此方法设计了球面和锥面光学系统，验证了其准确性和可靠性。并且利用此项技术设计了含有自由曲面的光学系统，使光学系统达到了质量轻、体积小的设计目标。此项技术扩充了CODE V软件的功能，有效地拓宽了CODE V计算复杂面型的能力。     

自由曲面光学系统设计及其应用

介绍了自由曲面光学系统研究背景,自由曲面描述方法,光学设计中的逐步逼近优化和像质自动平衡优化两种算法。并以实际应用中的头盔光学系统设计及大视场、高分辨率头盔显示器的设计为例对这些方面进行分析,讲解了自由曲面光学系统设计及其应用。     

头戴显示器中自由曲面棱镜的设计

由自由曲面棱镜光学系统所组成的头戴显示器具有体积小、像质高和视场大等优点.利用矢量像差理论傍轴近似结果对具有倾斜曲面的光学系统进行初始结构设计,根据这种方法,以KOPIN公司生产的VGA芯片为例,对头戴显示器中自由曲面光学系统进行设计,将确定的初始结构参数输入光学设计软件Zemax进行优化设计.设计结果验证了确定初始结构方法的可行性,表明头戴显示器中自由曲面棱镜的设计方法可应用于具有倾斜曲面的光学系统设计.     

大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计

头盔显示器系统由于自身对尺寸和重量有严格要求,采用自由曲面器件可以起到减少透镜片数,从而缩小系统尺寸、减轻重量等作用.针对目前单片式自由曲面棱镜解决方案存在的出瞳直径小,棱镜自由曲面光学面加工定位困难等问题,介绍了一种大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计方法,并给出了设计结果.设计方案采用了自由曲面棱镜和薄透镜的双片...     

含有自由曲面的大视场低畸变同轴三反射光学系统设计

遥感测绘应用要求光学系统焦距长、幅宽大、畸变低、体积小,并且可以实现与卫星平台的一体化设计。经过结构优选,采用改进型同轴三反结构,同时实现了长焦距、大幅宽和低畸变。由于二次遮拦和大视场的影响,一般的非球面优化设计成像质量不能满足要求。自由曲面的加入有效地增加了光学系统优化的自由度,经过优化设计后,光学系统设计传递函数大于0.418(72lp/mm),最大相对畸变小于0.00145%,光学系统成像质量明显提高。利用计算全息(CGH)技术实现了自由曲面的检测与精磨加工,设计残余波像差均方根(RMS)值为0.007λ,峰谷(PV)值为0.027λ,满足自由曲面的面形公差要求。加工、装调后实测光学系统的实验室静态传递函数,弧矢方向最低静态传递函数为0.225(72lp/mm),满足系统技术指标要求。     

光学自由曲面数控化加工方法

在光学系统中，为了满足特殊的成像要求，需要使用自由曲面光学零件，但由于自由曲面是一类非常复杂的曲面，用传统的光学加工方法很难加工。本文概要介绍了光学非球面的多种加工方法，探索了这些方法加工光学自由曲面的可能性，提出了用数控化加工方法加工光学自由曲面，并利用这种方法加工了一块自由曲面透镜。     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

基于波前变换的自由曲面系统初始结构设计北大核心CSCD

自由曲面具有良好的像差矫正能力,但没有足够的初始结构供设计者参考,因此研究自由曲面初始结构的设计方法是有意义的.通常初始结构设计方法为大量点和光线的追迹或数值求解微分方程组,运算量大且复杂。文章从光学系统对光波变换的角度出发,推导自由曲面解析表达式,并设计一款工作波段较宽,相对口径较大的离轴红外光学系统,工作波段3~12μm,焦距300mm, F/2.5,视场角2.04°×2.56°,像质接近衍射极限且100%冷光阑效率,全视场波像差RMS值平均为0.059λ@3.67μm.     

紧凑型自由曲面离轴三反系统设计

针对小型化反射式光学系统的设计要求,采用新型的离轴三反光路形式和自由曲面,实现了F#为1.8,对角线视场角7.5°的紧凑型自由曲面离轴三反系统,光线在系统内多次重叠,系统波像差全视场平均值为0.017λ(λ=10 μm)。相比非球面离轴三反系统,该系统具有体积小、透过率高、大视场、无中心遮拦、多波段成像等优点。     

基于自由曲面的大视场离轴反射光学系统设计

大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。     

利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场,设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸,且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量,该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.     

自由曲面空间光学系统设计研究

对自由曲面的发展及应用做简要梳理,介绍国外自由曲面空间光学系统的研究现状,讨论3种自由曲面数理模型的特点和像差平衡能力,阐述自由曲面光学系统相对轴对称系统和平面对称系统的像差特点以及自由曲面空间光学系统的像差控制与评价方法,给出采用泽尼克多项式表述的自由曲面多光谱相机的设计结果,成像视场76,为远心光路设计,全视场调制传递函数（MTF）优于0.56,适用于空间多光谱成像。     

掠入射光学系统设计

介绍了经典Woher Ⅰ型掠入射成像光学系统的基本结构,推导了由系统的口径和焦距表示的掠入射系统的参数方程组.通过此方程组可得到掠入射光学系统详细的初始设计参数.此外,针对掠入射系统不能直接使用常规商业光学设计软件进行优化的问题,以Zemax软件为例,介绍了怎样利用其宏语言构造优化函数用于掠入射系统的分析和优化.并且进行了一组实例的设计和优化,优化后系统由经典Woher Ⅰ型的抛物面-双曲面结构变为具有相同口径和焦距的双曲面-双曲面结构.最后,对上述两种掠入射系统的成像性能进行了对比分析.分析结果表明,双曲面-双曲面的结构提高了掠入射系统大视场的分辨率,能够满足对太阳进行全日面高分辨率观测的要求.     

自由曲面机载头盔显示器光学系统设计

为了解决传统头盔显示器大出瞳距、大视场与轻型化、小型化间的矛盾,采用径向基函数表征自由曲面设计了一款头盔显示器光学系统。详细论述了径向基函数表征自由曲面的原理,分析了光学系统像差校正方法。在设计中,尝试了一种方法来快速地确定优化起点,分析了该光学系统的成像质量。该光学系统的视场为45°×32°,出瞳大小为15mm,出瞳距为50mm。在奈奎斯特频率处,全视场的调制传输函数(MTF)值大于0.6。在(-22.5°,16°)视场处有最大畸变值-1.54%。系统尺寸56mm×128mm,重量136g。优化设计结果表明,该全息头盔显示光学系统像差小,可以较好地为使用者提供清晰的字符信息或者视频图像。该头盔显示光学系统成像质量好,体积小重量轻,可以应用于新一代机载头盔显示技术。     

基于正交种子曲线扩展算法设计自由曲面离轴反射无焦系统

离轴反射无焦光学系统在空间望远镜中具有重要的应用,自由曲面能够校正离轴反射系统中的非对称像差。设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构非常关键。提出了正交种子曲线扩展算法(OSCE),可直接设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构。为了验证方法可行性,分别设计了放大倍率为10和20的离轴无焦三反和四反系统。设计结果表明离轴三反系统初始结构均方根(RMS)波前差为0.36 λ,离轴四反系统初始结构波前差为0.18 λ。对这两个初始结构分别进行优化,优化之后的RMS波前差小于0.02 λ。     

基于三维构建法的大视场低畸变自由曲面空间光学系统设计

为了满足空间遥感器对光学系统大幅宽、低畸变、小体积的要求,采用三维构建法设计了一个大视场离轴四反自由曲面光学系统,成像全视场为60°,相对孔径为D/f′=1/14。阐述了三维构建法的设计思路,并采用该方法直接由二次非球面系统设计得到自由曲面光学系统,作为初始结构进一步优化。优化之后,光学系统的平均传递函数优于0.5(25 lp/mm),最大相对畸变为0.54%。研究结果表明,三维构建法有效、快捷,极大地提高了自由曲面光学系统的设计效率。同时,基于三维构建法设计的大视场自由曲面光学系统,系统畸变显著减小,解决了大视场反射式光学系统传递函数(MTF)与畸变无法平衡的难题,满足空间遥感的未来发展需求。     

自由曲面校正光学系统像差的研究EI北大核心CSCD

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.