F/0.78高次非球面零位补偿检测与投影畸变校正

为实现高次非球面的高精度检测与确定性加工,从高次非球面检测的零位补偿器设计和干涉检测图的投影畸变校正两方面出发提出了具体的解决方案。首先,基于三级像差理论与PW法推导了高次非球面三片式补偿器初始结构参数计算公式。针对有效口径314 mm、F/0.78的8阶偶次非球面,将基于公式获得的初始结构参数代入光学设计软件进行缩放、优化后获得PV=0.009 6λ、RMS=0.001 2λ（λ=632.8 nm）的补偿器设计结果,公差分析结果表明此设计满足高次非球面λ/50的检测精度要求。进一步地,针对基于零位补偿器的干涉检测图存在畸变的问题提出了一种校正方法,该方法采用零位补偿器的成像畸曲线数据确定干涉图的畸变规律,利用畸变零点求解算法确定畸变中心,结合畸变规律与畸变中心点坐标进行逆向求解实现干涉检测图畸变的快速校正。采用本文所提方法对零位补偿检测结果进行畸变校正,基于畸变校正结果对非球面进行了6次磁流变抛光后,面形RMS由0.270λ收敛至0.019λ,验证了该畸变校正方法的有效性。     

非球面眼镜片的像差分析和设计

根据非球面眼镜片的赛德尔 (Seidel)初级像差理论 ,分析讨论了在消像散条件下校正球差、彗差和畸变的可能性 ,指出适当优化镜片的形状因子 ,能够获得畸变低于球面镜片的点焦 (即消像散 )非球面镜片。以± 6 .0m- 1 镜片为例 ,给出了校正畸变、点焦、无拐点非球面镜片的设计方法与结果 ,通过性能评价和比较 ,指出非球面镜片的像差校正情况与初级像差理论的分析结果基本一致     

大偏离度非球面检测畸变校正方法

在高数值孔径(NA)投影光刻物镜中,随着数值孔径的增加,非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测,一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500μm的偶次高次非球面进行了计算全息图(Computer-Generated Hologram,CGH)设计,设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后,针对此设计方案,定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明,不同径向位置的成像倍率偏差(畸变)最大达到了2.7∶1,并且由于畸变的存在,低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后,针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变,提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法,并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明,畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%,可以满足高精度非球面检测加工的要求。     

高次非球面眼镜片设计

提出了按照市场要求设计非球面眼镜镜片的方法。通过把相对畸变、光焦度、散光、减薄量作为优化函数和使用简单有效的高次回转对称非球面方程来描述面形,设计出了高次非球面眼镜片,设计出的非球面镜片的边缘减薄量接近0.4mm,相对畸变在0.2%以内,光焦度和散光分布均匀。结果表明,该镜片在满足成像要求的同时也满足了市场要求。     

非球面目镜

由于孔径光栏（出瞳）在目镜光学系统的外面，所以光学系统的畸变矫正格外地困难。消除畸变的最佳方法是采用非球面。本文依据三级像差理论，对新颖的非球面广角目镜的光学系统设计作了描述，并给出设计的结果和数据。     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

离轴非球面零位补偿检验的非线性畸变校正

在大口径、快焦比非球面的补偿检验中，入射光线在短距离内发生大角度急剧折转，导致干涉仪面形检验结果图像产生非线性畸变，严重影响了数控小磨盘抛光的位置精度和误差去除效率。为了校正离轴非球面在补偿检验中产生的图像畸变，提出了一种校正非线性畸变图像的方法，通过同心环带法确定畸变中心位置并利用光线追迹建立被检镜到干涉图的映射关系。针对某一光学系统的520 mm×250 mm的离轴抛物面主镜进行了畸变图像的校正，校正结果面形与工件面形的位置偏差降到1 mm以下，满足小磨盘抛光的工作要求。     

含有三个非球面的卡塞格林系统光学设计

介绍了一种含三个非球面的卡塞格林系统的设计思想，给出了一个设计结果。焦距２．８ｍ，Ｆ／５．６，视场３．２°，主镜、次镜均为６次方非球面，场镜含一４次方非球面，成像质量接近衍射极限，畸变也得到了校正。     

非球面鱼眼镜头设计及畸变校正算法研究

提出了一种非球面鱼眼镜头的设计方法,根据全景摄像系统镜头使用要求,设计得到一款仅由三片非球面塑胶镜片和一片球面玻璃镜片组成的超广角鱼眼镜头。镜头最大成像光圈直径为15.3 mm,后工作距离为2.158mm,系统总长为11.44mm,焦距为0.97mm,视场角为210°,在60lp/mm处调制传递函数(MTF)曲线达到0.35。还构建出一种高效简单的鱼眼镜头畸变校正算法,根据镜头设计中得到的畸变曲线,应用畸变模型运用实际像点计算出理想像点位置,将鱼眼镜头拍摄的畸变图像校正为适合于人眼观看的无畸变图像。通过车载全景显示应用中实际拍摄图像及校正图像的对比,验证出该算法精准可行。     

计算全息图案位置误差致波前误差的标定方法

通过对计算全息图检测非球面的误差进行分析,提出了一种用于计算全息图检测非球面过程中图案位置误差引入的波前误差的标定方法。该方法先设计检测过程中所需要的辅助波前和检测波前在计算全息基板上所对应的相位分布,再通过光场叠加的方式得到复合相位。辅助波前用于计算实际位置与设计位置的偏差,进而计算出位置畸变引起的检测误差,并将其从系统中消除。检测波前用于得到与非球面匹配的波前,进而对非球面面形进行检测,并提出了图案位置误差引入的非球面波前差的计算方法。为评估该方法的可行性,将复合相位所对应的计算全息图导入衍射计算软件中进行仿真,同时得到了平面、球面和非球面各个级次的衍射光斑,证明了该方法的正确性。     

Q-Type非球面小畸变全景环带光学系统设计

通过动态链接库方式在Zemax中建立Q-type非球面接口,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段,垂直半视场为30°~110°,焦距为-1.25 mm,F数为5,系统总长为28.7 mm的全景环带光学系统(PAL)。该光学系统由7片透镜组成,包含6片球面镜和一片两面均为Q-type面型的非球面镜片。对设计结果进行了分析,全视场FTheta畸变小于1%,在奈奎斯特空间频率83 lp/mm处调制传递函数(MTF)高于0.5,成像效果接近衍射极限。为验证Q-type非球面在PAL设计中的优越性,实际设计了一个与Q-type面型PAL具有相同参数的偶次非球面PAL,对两者进行了分析比较。结果表明,在相同的计算平台下,Q-type非球面多项式系数的有效数字比对应的偶次非球面的多3~6位,有效减小了优化过程中计算机数字系统截断误差对优化过程的影响,有利于提高光学系统优化设计效率、提高非球面光学零件的加工精度和检测精度。     

一种新型微小视频卫星光学系统设计

基于Ritchey-Chretien （R-C）光学系统,采用Zemax软件设计次镜为类曼金反射镜的折反射式光学系统。系统的焦距为3 000 mm,视场角为1,相对孔径为1/8,工作谱段为450 nm~900 nm。结果表明,截止频率为50 lp/mm处的MTF值为0.55,接近衍射极限,畸变小于0.022%。类曼金镜的非球面反射面与主镜构成R-C光学系统,消除了系统的球差和彗差,折射面分担次镜的光焦度,减小了非球面的非球面偏心率。类曼金反射镜的加入,将次镜非球面偏心率的平方由4.356减小到1.940,而且系统总长度由600 mm减小到550 mm。     

折反式超短焦变焦投影镜头的设计

为了实现在短距离内投射出大视场、高清画面,降低超短焦投影的加工成本和装调难度,设计了一款不含非球面折射透镜的折反式超短焦变焦投影镜头。系统使用16.76mm(0.66in)DMD微透镜显示芯片,16片球面折射透镜和一片非球面反射镜,非球面反射镜能有效校正系统的畸变、抵消折射透镜组的场曲和像散。光学总长为250mm,投影距离是424～509mm,投射画面尺寸是2.286～2.794m(90～110in),视场角150°,投射比为0.21,水平、垂直TV畸变小于0.25%,相对照度大于90%,MTF在0.48lp/mm时大于0.5。样机测试结果显示各项指标满足系统设计要求,全玻璃透镜的设计易于加工和生产,有效降低超短焦投影系统的加工装配成本。     

基于CPU+GPU的大视场物镜成像畸变实时校正

针对工业大视场物镜畸变成像的实时校正问题,提出一种校正算法和CPU+GPU并行加速方案.根据光学畸变理论和相机标定技术,建立非球面畸变校正模型.利用棋盘样板计算光学中心和估计畸变系数,设计校正算法.在CPU+GPU并行加速方案基础上,设计内核自适应维度算法并优化运行程序,结合OPENGL驱动进行实时校正和显示.实验结果表明,本文设计的实时校正系统对高分辨率的畸变成像校正率可以达到98.2%,单帧耗时0.026 s,平均综合加速比为29.1.该系统精度高,可移植性强,简单易行,能够广泛应用于成像畸变的实时校正.     

CCD摄像机大视场光学镜头的设计

为提高CCD摄像机的成像质量，同时使镜头结构紧凑、小型化，在大视场光学镜头的设计中，引入标准二次曲面和偶次非球面。根据初级像差理论，分析了非球面的位置、初始结构参数的求解规律。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长为0.4～0.7μm、全视场角为80°，相对孔径为1∶1.5的镜头设计实例。该镜头由7块镜片组成，包括一个标准二次曲面和两个8次方非球面；在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.85，全视场畸变小于3％，像质优良     

浸没式光刻照明系统中非球面变焦系统设计

设计了一种非球面变焦光学系统,解决了NA 1.35浸没式光刻照明技术中内外相干因子调节、能量利用率不足、模块使用寿命短的问题,所设计的非球面变焦系统包括三个镜组、光阑面和像面.系统入瞳直径42mm,视场角1.89°,实现焦距范围700mm~1 830mm,变倍比2.61,共使用七片透镜,并在三个凹面表面采用了非球面设计.设计结果表明,该系统成像质量优良,点列图均方根直径均小于40μm,畸变均小于0.5%,设计结果满足浸没式光刻照明系统的使用要求.     

应用反射型球面菲涅耳波带片的成像物镜设计

设计了一种应用球面菲涅耳波带反射面与非球面反射面结合的成像物镜。对球面结构的菲涅耳波带反射面进行分析,推导了球面菲涅耳波带反射面近似替代非球面的方法,采用单片球面菲涅耳波带反射面和三片非球面反射面设计成像物镜,在放大倍数100×、视场角120°、菲涅耳数2.5情况下,调制传递函数在放大成像侧可实现0.6 lp/mm的40%以上,畸变小于2.2%。该设计方法为菲涅耳波带片应用于可见光成像提供了参考,并随着菲涅耳器件加工技术的不断发展具有良好的应用前景。     

800万像素手机镜头的设计

 随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大,利用Zemax光学设计软件设计一款大相对孔径800万像素的广角镜头。该镜头由1片非球面玻璃镜片,3片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃构成。镜头光圈值F为2.45,视场角2ω为68°,焦距为4.25 mm,后工作距离为0.5 mm。采用APTINA公司的MT9E013型号800万像素传感器,最大分辨率为3 264×2 448,最小像素为1.4 μm。设计结果显示：各视场的均方根差（RMS）半径小于1.4 μm,在奈奎斯特频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2 %,TV畸变小于0.3 %。     

水平对称视场全景环带成像系统设计

为了进一步扩大视场,实现水平上下对称视场的全景环带成像,使用了一种新的利用非球面PMMA设计的全景环形透镜(PAL)。视场达到(-30°^+30°)×360°,并且缩小了中央处的盲区,提高了CCD的利用率。对全景环形透镜的视场和畸变控制方法进行了理论分析,介绍了非球面全景环带透镜的设计方法。设计了一套全非球面PMMA的全景环带系统。系统总长为53mm,焦距为2.85 mm,PAL最大口径为62.4 mm,光谱范围为0.486~0.656μm(可见光谱)。后继转像镜组由7片透镜构成,系统后焦距(BFL)为5.4mm。分析结果证明系统像差校正良好,扩大了系统的应用范围。     

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。