自由曲面在成像光学系统中的研究
[Abstract]:Traditional optical systems are usually composed of spherical or simple aspheric optical elements. With the development of the application scene of optical system, the traditional optical system has been unable to meet the requirements of intelligence, miniaturization and low cost. The appearance of optical freeform surface provides a way to solve this problem. The non-rotational symmetry of optical freeform surfaces and strong surface representation provide more degrees of freedom for optical designers. The application of freeform surface can be used to design a better optical system which can satisfy the specific application scenario. With the improvement of optical processing, detection and assembly technology, the free-form surface has gradually become the development direction of optical system design in the future. In this paper, the application of free-form surface in imaging optical system is studied in the following aspects: the representation of free-form surface, the application of vector aberration theory (node theory) in the optical system containing free-form surface, and the application of vector aberration theory in optical system with free-form surface. Image quality evaluation of non-rotationally symmetric optical system with free-form surface; application of free-form surface in the design of reflective optical system; application of free-form surface in the design of NA1.35 projection lithography lens and compensation of refractive index uniformity. The following is the main work of this paper: (1) the different representation forms of free-form surfaces and the transformation methods between free-form surfaces under different representation forms are described, which provides a way to obtain the initial structure of the optical system of free-form surfaces; The properties of free-form surfaces under different representations are summarized and compared, which provides the basis for the selection of free-form surfaces. (2) the third-order expression of vector aberration theory in non-rotationally symmetric optical systems is described in detail. The node behavior of aberrations is analyzed. The expression of vector aberration theory in optical systems with free-form surfaces is described in detail, and the effect of free surface on the behavior of astigmatic nodes is studied with astigmatism as the research object. The research on vector aberration provides a powerful theoretical guidance for the design of free-form surface optical system. (3) aiming at the defect of the mainstream optical design software to evaluate the image quality of non-rotational symmetric optical system with free-form surface. The concept of the best reference grid is proposed, and the corresponding mathematical model is established. Through the combination of optical design software and mathematical software, the best reference grid can be solved. The effective focal length and distortion of the optical system can be calculated accurately by using the best reference mesh, and the distortion can be optimized. (4) the application of the free-form surface in the reflective optical system is studied. An off-axis three-mirror optical system for space optical remote sensing is designed by using Zernike free-form surface, and the image quality is evaluated by using the best reference mesh for off-axis three-mirror optical system with a focal length of 1200 mm, F ~ (* 4) and field of view (20 掳脳 4 掳). An off-axis dual reflective lens helmet display with focal length of 50mm, pupil diameter of 8mm and field of view of 50 掳脳 25 掳has been successfully designed by using XY freeform surface and Zernike freeform surface. The design is compact, colorless and small. The characteristics of light weight. (5) the application of free-form surface in NA1.35 projection lithography lens. Firstly, Q-type free-form surface is used to optimize the aberration RMS and distortion within 1nm. At the same time, it can meet the requirements of the total optical length, imaging field of view, NA consistency, such as telecentric and so on for the NA1.35 projection lithography lens. Secondly, the refractive index uniformity of the free surface NA1.35 lithography lens described by the radial basis function is compensated, and the basic principle of the free surface refractive index uniformity compensation is deduced in detail, and a good compensation effect is obtained.
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O439
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,本文编号:2441350
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