结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

姚艳霞; 袁群; 陈露; 窦沂蒙; 殷慧敏; 高志山

doi:10.3788/IRLA201847.1018001

结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.1018001

1.
南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094

基金项目:

国家自然科学基金（61505080，61377015）;中国科学院天文光学技术重点实验室开放课题（CAS-KLAOT-KF201604）

详细信息

作者简介:
姚艳霞(1994-),女,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yanxia_yao@njust.edu.cn

中图分类号: TB133

Freeform surface design method combined with surface and field-of-view optimization

1.
School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China

摘要: 为了增大光学系统的视场，针对含有自由曲面的离轴反射式光学系统设计，提出了一种面型优化策略和视场优化策略相结合的优化设计方法。该方法从小视场出发，以表征光学系统波像差的Zernike标准多项式各项系数为评价依据，确定像差分量优化顺序，有针对性地选取和优化XY多项式项系数；计算各视场波像差在全视场波像差的占比，据此调整各视场的优化权重。在小视场范围内优化获得满足光学系统性能指标的结构参数后，逐步拓展视场范围，交替使用面型和视场优化策略，实现全视场范围内光学系统的优化设计。应用该方法设计焦距1 200 mm、F数为12、视场303的含有自由曲面的离轴三反光学系统，仅通过优化15项XY多项式系数表征自由曲面，设计结果接近衍射极限，且有利于指导更宽视场的自由曲面光学系统设计。
- 光学设计 /
- 自由曲面 /
- 优化方法 /
- Zernike多项式 /
- XY多项式
Abstract: An optimization design method combining surface optimization strategy and field-of-view optimization strategy was presented for expanding the field-of-views, which is used for the design of off-axis reflective optical system with freeform surface. Based on the coefficients of Zernike standard polynomials representing the wavefront error of the optical system, sequence of the aberration was determined. The optimization procedure was implemented in small field-of-views to achieve satisfied results, and then the field-of-view was expanded gradually, and the optimization steps were repeated. At last, the optical system structure parameters were got for the full field-of-views. With proper XY polynomial terms as well as optimization weight of different field-of-views selected and optimized, an F-12 off-axis three-mirror system was designed with 1 200 mm focal length and 303 field-of-view, in which, only 15 XY polynomials terms were adopted for the freeform surface. The imaging quality of the system is close to the diffraction limit that meets application requirements. This method can also guide the design of optical systems with freeform surface and larger field-of-view.
- optical design /
- freeform surface /
- optimization method /
- Zernike polynomial /
- XY polynomial

[1]	Wang Yongtian. Design and application of free-curved surface optical system[J]. Optics Optoelectronic Technology, 2012, 10(3):13-16. (in Chinese)王涌天. 自由曲面光学系统设计及其应用[J]. 光学与光电技术, 2012, 10(3):13-16.
[2]	Pan Junhua. The Design, Manufacture and Test of the Aspherical Optical Surface[M]. Suzhou:Soochow University Press, 2004. (in Chinese)潘君骅. 光学非球面的设计、加工与检验[M]. 苏州:苏州大学出版社, 2004.
[3]	Zhang Xin, Xu Yingchao. Study on free-form optical testing[J]. Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 2008(1):92-99. (in Chinese)张新, 许英朝. 光学自由曲面的检测方法[J]. 中国光学与应用光学, 2008(1):92-99.
[4]	Shi Haodong, Zhang Xin, Wang Lingjie, et al. Aberration properties of off-axis freeform surface optical system[J]. Acta Optica Sinica, 2016, 36(7):0708001. (in Chinese)史浩东, 张新, 王灵杰,等. 偏轴自由曲面光学系统像差特性研究[J]. 光学学报, 2016, 36(7):0708001.
[5]	Xu Fenggang, Huang Wei, Xu Mingfei. Design of off-axis three-mirror optical system based on Wassermann-Wolf equations[J]. Acta Optica Sinica, 2016, 36(12):1222002. (in Chinese)徐奉刚, 黄玮, 徐明飞. 基于Wassermann-Wolf方程的离轴三反光学系统设计[J]. 光学学报, 2016, 36(12):1222002.
[6]	Wang Yunqi, Liu Weiqi, Zhang Daliang, et al. Design of off-axis three-mirror optical system with wide field of view based on transfer matrix[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(4):0418003. (in Chinese)王蕴琦, 刘伟奇, 张大亮,等. 基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(4):0418003.
[7]	Li Na, Huang Ying. Design of large-field and Low-distortion freeform space optical system with 3D construction method[J]. Acta Optica Sinica, 2016, 36(3):0322001. (in Chinese)李娜, 黄颖. 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[J]. 光学学报, 2016, 36(3):0322001.
[8]	Yang Tong, Zhu Jun, Jin Guofan. Design of freeform imaging systems with linear field-of-view using a construction and iteration process[J]. Optics Express, 2014, 22(3):3362-3374.
[9]	Han Changyuan. Study on optical system of high resolution space camera[J]. Optics and Precision Enginerring, 2008, 16(11):2164-2172. (in Chinese)韩昌元. 高分辨力空间相机的光学系统研究[J]. 光学精密工程, 2008, 16(11):2164-2172.
[10]	Shi Lili. The design and research on the optical system of the space remote sensor[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2007. (in Chinese)史黎丽. 航天遥感相机光学系统设计研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2007.
[11]	Meng Qingyu, Wang Hongyuan, Wang Yan, et al. OFF-axis three-mirror freeform optical system with large linear field of view[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(10):1018002. (in Chinese)孟庆宇, 汪洪源, 王严,等. 大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(10):1018002.
[12]	Meng Qingyu, Wang Wei, Ma Hongcai, et al. Easy-aligned off-axis three-mirror system with wide field of view using freeform surface based on integration of primary and tertiary mirror[J]. Applied Optics, 2014, 53(14):3028-3034.
[13]	Kanolt C W. Multifocal ophthalmic lenses:US, Patent 2878721[P]. 1959-03-24.
[14]	Zhuang Zhenfeng, Chen Yanting, Yu Feihong, et al. Field curvature correction method for ultrashort throw ratio projection optics design using an odd polynomial mirror surface[J]. Applied Optics, 2014, 53(22):69-76.
[15]	Cakmakci O, Rolland J. Design and fabrication of a dual-element off-axis near-eye optical magnifier.[J]. Optics Letters, 2007, 32(11):1363-1365.
[16]	Tong Jingbo, Cui Qingfeng, Xue Changxi, et al. Optical design of a off-axis dual-channel helmet mounted display[J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(9):2662-2667. (in Chinese)佟静波, 崔庆丰, 薛常喜,等. 离轴双通道头盔显示器光学系统设计[J]. 光学学报, 2010, 30(9):2662-2667.

[1]	王合龙, 陈建发, 黄浩阳, 崔泽曜. 基于自由曲面的离轴三反光学系统研制 . 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220523-1-20220523-8. doi: 10.3788/IRLA20220523
[2]	许宁晏, 陈露, 黄静, 邹宇通, 袁群, 高志山. 自由曲面成像光学系统的初始结构设计方法 . 红外与激光工程, 2022, 51(2): 20210852-1-20210852-12. doi: 10.3788/IRLA20210852
[3]	芮丛珊, 曾春梅, 冯志强, 夏成樑, 洪洋. 离轴反射式头戴显示光学系统的自由曲面设计方法 . 红外与激光工程, 2022, 51(10): 20211119-1-20211119-11. doi: 10.3788/IRLA20211119
[4]	缪麟, 田博宇, 孙年春, 张彬. 基于量子遗传算法的自由曲面离轴反射光学系统设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210365-1-20210365-9. doi: 10.3788/IRLA20210365
[5]	蒋婷婷, 冯华君, 李奇. 自由曲面变焦的内调焦式光学系统设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(4): 20200290-1-20200290-8. doi: 10.3788/IRLA20200290
[6]	毛姗姗, 李艳秋, 刘克, 刘丽辉, 郑猛, 闫旭. 高数值孔径自由曲面极紫外光刻物镜光学设计 . 红外与激光工程, 2019, 48(8): 814002-0814002(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0814002
[7]	姜晰文, 贾学志, 丛杉珊. 自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 918004-0918004(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0918004
[8]	赵宇宸, 何欣, 张凯, 刘强, 崔永鹏, 孟庆宇. 轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1218001-1218001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
[9]	关姝, 王超, 佟首峰, 姜会林, 常帅, 范雪冰. 空间激光通信离轴两镜反射望远镜自由曲面光学天线设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(12): 1222003-1222003(8). doi: 10.3788/IRLA201746.1222003
[10]	孟庆宇, 汪洪源, 王严, 纪振华, 王栋. 大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1018002-1018002(8). doi: 10.3788/IRLA201645.1018002
[11]	孟祥翔, 刘伟奇, 张大亮, 姜国华, 朱秀庆, 杨建明. 双自由曲面大视场头盔显示光学系统设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(4): 418004-0418004(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0418004
[12]	刘军, 黄玮. 反射式自由曲面头盔显示器光学系统设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1018001-1018001(6). doi: 10.3788/IRLA201645.1018001
[13]	智喜洋, 王达伟, 谭凡教, 刘明东, 王海鹏, 张伟. 温度对空间红外光学系统性能的影响分析方法 . 红外与激光工程, 2015, 44(S1): 1-7.
[14]	李远洋, 刘立生, 王挺峰, 邵俊峰, 郭劲. 应用Collins公式和像差的Zernike展开分析激光光束在实际光学系统传输特性 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 857-862.
[15]	孙文卿, 陈磊, 李金鹏, 乌兰图雅, 何勇. 非圆孔径离散采样点正交多项式波前拟合 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 1068-1072.
[16]	李冰, 赵跃进, 张超, 郭小虎, 张镜水, 孔令琴. 非成像式激光告警系统的光学设计及优化 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1511-1516.
[17]	陈颖聪, 文尚胜, 罗婉霞, 陈津桥, 谢嘉宁. 自由曲面底板的LED 光学设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2947-2953.
[18]	王洪, 陈赞吉, 吴衡, 葛鹏. 自由曲面LED汽车前照灯光学透镜设计方法 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1529-1534.
[19]	孙秀辉, 杜惊雷, 尹韶云, 邓启凌, 杜春雷. 非球面内表面调制的自由曲面配光透镜设计方法 . 红外与激光工程, 2013, 42(1): 163-166.
[20]	王奇涛, 佟首峰, 徐友会. 采用Zernike多项式对大气湍流相位屏的仿真和验证 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1907-1911.

点击查看大图

计量

文章访问数: 296
HTML全文浏览量: 39
PDF下载量: 54
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

留言板

结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.1018001

作者简介:
姚艳霞(1994-),女,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yanxia_yao@njust.edu.cn

Freeform surface design method combined with surface and field-of-view optimization

计量

结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.1018001

1. 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094

作者简介:
姚艳霞(1994-),女,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yanxia_yao@njust.edu.cn

English Abstract

Freeform surface design method combined with surface and field-of-view optimization

1. School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China

全文HTML

目录

留言板

结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.1018001

作者简介: 姚艳霞(1994-),女,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yanxia_yao@njust.edu.cn

Freeform surface design method combined with surface and field-of-view optimization

计量

出版历程

结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.1018001

1. 南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094

作者简介: 姚艳霞(1994-),女,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yanxia_yao@njust.edu.cn

English Abstract

Freeform surface design method combined with surface and field-of-view optimization

1. School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China

全文HTML

目录

作者简介:
姚艳霞(1994-),女,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yanxia_yao@njust.edu.cn

1. 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094

作者简介:
姚艳霞(1994-),女,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yanxia_yao@njust.edu.cn