离轴反射式自由曲面光学系统的优化策略与设计方法研究

论文摘要

为了根据光学系统的像差特性,针对性地指导离轴反射式自由曲面光学系统设计,本文围绕离轴反射式自由曲面光学系统的优化策略和设计方法以及性能指标评判方法展开研究。首先,分析了自由曲面常用的面型表征方法以及带有元件倾斜和偏心的矢量像差理论,建立了面型与像差之间的联系。比对了现有直接设计法和间接设计法的设计思路,为研究离轴反射式自由曲面光学系统的优化设计方法奠定了面型优化和视场拓展的理论基础。然后,针对间接设计中多参数优化法,提出了面型优化策略和视场优化策略,以各视场波像差的Zernike标准多项式系数指导优化方向。面型优化策略中,采取各视场平方和较大的Zernike项系数对应的像差优先校正原则,确定像差分量的优化顺序,选取对应的XY多项式项作为优化变量。视场优化策略中,从小视场出发,逐步拓展到大视场,并通过计算单视场内Zernike标准多项式各项系数的平方和,得到各视场所对应的波面RMS值,实现各视场优化权重的定量设置与动态调整。以已知参数的视场30°×1°,F数12,焦距1200 mm的离轴三反光学系统为设计参考原型,应用面型优化策略和视场优化策略的联合优化设计方法,采用15项XY多项式表征自由曲面面型。在结构类型、反射镜面型、XY多项式项数、系统F数和焦距相同的情况下,视场拓展了3倍至30°×3°,系统光学质量接近衍射极限。最后,先采用常规评价指标调制传递函数、波像差、点列图等评估了离轴反射式自由曲面光学系统的成像质量,针对其离轴特性和自由曲面面型特征,提出了两种不同的焦距计算方法,并从光学参数定义出发进行了分析与讨论。对于光学软件无法直接得出的推扫畸变和天文光学系统的椭率指标,给出了具体的计算方法与实例。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题的研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•     1.2.3 研究现状小结
•   1.3 课题主要研究内容
• 2 离轴反射式光学系统自由曲面表征及设计方法
•   2.1 自由曲面表征方法
•     2.1.1 Zernike多项式
•     2.1.2 XY多项式面
•     2.1.3 非均匀有理B样条曲面
•     2.1.4 径向基函数
•   2.2 矢量像差理论
•     2.2.1 球差
•     2.2.2 彗差
•     2.2.3 像散
•     2.2.4 场曲
•     2.2.5 畸变
•   2.3 自由曲面设计方法
•     2.3.1 Wassermann-Wolf微分方程法
•     2.3.2 多曲面同步设计法
•     2.3.3 其他直接设计法
•     2.3.4 多参数优化法
•   2.4 本章小结
• 3 面型优化策略与视场优化策略
•   3.1 面型优化策略
•     3.1.1 面型优化原理
•     3.1.2 面型优化步骤
•   3.2 视场优化策略
•     3.2.1 视场拓展原则
•     3.2.2 视场优化步骤
•   3.3 结合面型与视场优化策略的优化方法
•   3.4 本章小结
• 4 离轴反射式自由曲面光学系统优化设计实例
•   4.1 初始结构计算
•   4.2 离轴结构限制
•   4.3 优化设计流程与指标评价
•     4.3.1 设计指标
•     4.3.2 优化流程
•     4.3.3 优化结果
•   4.4 本章小结
• 5 离轴反射式自由曲面光学系统评价指标
•   5.1 常规像质评价指标
•     5.1.1 光学传递函数
•     5.1.2 瑞利判断与波像差
•     5.1.3 点列图
•     5.1.4 点扩散函数
•   5.2 焦距计算
•     5.2.1 焦距定义
•     5.2.2 小孔径法
•     5.2.3 小像高法
•   5.3 畸变计算
•   5.4 椭率
•   5.5 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 本文主要的创新点
•   6.3 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姚艳霞

导师: 袁群

关键词: 离轴反射式,自由曲面,设计方法,面型优化,视场优化

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京理工大学

分类号: O439

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.001278

总页数: 73

文件大小: 3647K

下载量: 68