1 中国科学院 光电技术研究所， 四川 成都 610209
2 中国科学院大学， 北京 101408
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.
自由曲面 光学设计 初始结构 波动光学 freeform surface optical design initial structure wave optics
鱼眼镜头优势在于拥有极大的视场, 可以捕获更多信息。如今鱼眼镜头在安保安防、摄影、航空航天等方面得到广泛应用, 尤其在**和**中的地位不可替代。本文首先概括了鱼眼镜头的成像原理和发展历程, 分析了现代鱼眼镜头初始结构设计中的光线溢出以及与镜面无交点等常见的关键问题和已有的思路, 介绍了现代鱼眼镜头的应用和发展趋势, 最后讨论了鱼眼镜头目前发展中存在的一些设计瓶颈以及鱼眼镜头未来的发展方向。
鱼眼镜头 光线溢出 初始结构 fisheye lens, overflow of light, initial structure
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
将自由曲面离轴反射系统的曲面加工在同一个基底上实现了多面共体制造，可以有效降低装调难度，进而提升系统的稳定性。提出了一种有柱形轮廓的多面共体自由曲面离轴三反成像系统的设计方法，基于共焦离轴二次曲面实时生成满足离轴共体系统结构和初阶参数要求的初始结构。提出了一种基于曲面采样点位置约束的自由曲面优化方法来控制系统整体外轮廓的形状与大小，使系统的曲面易于实现共体加工。基于光线追迹信息控制系统的焦距，并抑制光线遮拦和光瞳像差。采用Q2D多项式自由曲面进行系统优化，降低曲面检测难度。最终设计了一款高像质、低畸变、易于共体加工的自由曲面离轴三反热成像系统，并根据自由曲面面形特点对该系统进行了公差分析。
光学设计 应用光学 自由曲面 多面共体 离轴三反系统 初始结构
1 长春理工大学吉林省空间光电技术重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
针对传统透射式光学系统初始结构优化设计效率低、结构选取过度依赖经验等问题，提出了一种基于深度学习的透射式光学系统初始结构自动优化设计方法。通过监督训练学习公开光学镜头库中参考镜头的结构特征数据，构建基于光线追迹的无监督训练模型，提升深度神经网络（DNN）模型的泛化能力。通过训练生成的网络模型输出包含真实玻璃的光学系统的结构参数，从而实现透射式光学系统初始结构的自动优化设计。设计结果表明：利用该网络模型优化设计的光学系统初始结构在全视场、全谱段下的像面点斑半径与参考镜头接近，并且能够根据不同焦距要求分别设计出光学系统初始结构；所设计的组初始结构的成功率优于96.403%，表明所提网络模型具有良好的泛化能力。
光学设计 深度学习 自动优化 初始结构 光线追迹
1 莆田学院机电与信息工程学院, 福建 莆田 351100
2 福建省激光精密加工工程技术研究中心, 福建 莆田 351100
反射光学系统具有无色差、结构紧凑、体积小和成像性能优良等特点, 被广泛应用于空间遥感探测领域。首先, 基于同轴四反光学系统像差表达式, 构建了以系统均方根波像差为条件的成像评价目标函数; 进而应用开发的自适应变异概率遗传算法求解该目标函数, 得到一组合适的同轴四反光学系统初始结构参数解; 随后, 在上述系统结构基础上对其进行适当离轴消除系统中心遮拦, 并将四块光学面设定为偶次非球面, 应用光学设计软件 Zemax 对其进行像差优化。最终设计了一款焦距为 800 mm、工作波段为 0.4～1.6 μm、全视场角为 1°、入瞳直径为 80 mm 的成像质量良好的离轴四反光学系统。结果表明, 该方法为设计此类离轴光学系统提供了一种有效手段, 具有很强的实际应用价值。
几何光学 离轴四反 初始结构 改进遗传算法 双波段 geometrical optics off-axis four-mirror reflective initial structure improved genetic algorithm dual-band
红外与激光工程
2022, 51(3): 20210173
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 北方信息控制研究院集团有限公司，江苏 南京 211153
自由曲面设计自由度多、面型表征能力强等优势使成像光学系统突破了传统面型表征和系统结构的限制，在进一步提高成像质量的同时可以实现大视场、大孔径、小型化、轻量化等设计目标。良好的初始结构可以充分发挥自由曲面对像差的校正能力，提高系统设计效率。与共轴光学系统相比，自由曲面成像光学系统设计存在可参考样例少、像差理论尚不完善等问题，其初始结构的构造与求解仍然是先进光学设计领域的前沿热点问题之一。结合课题组多年的研究心得，探讨了现有的自由曲面成像光学系统初始结构设计方法，依据自由曲面构造原理将其分为同轴系统离轴化法、直接设计法、视场孔径扩展法和分段拼接融合设计方法，并分别介绍其设计原理和思路。最后对自由曲面成像光学系统初始结构设计中亟待解决的问题进行了分析总结。
光学设计 自由曲面 成像系统 初始结构 optical design freeform surface imaging system starting-point 红外与激光工程
2022, 51(2): 20210852
红外与激光工程
2021, 50(6): 20200523
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心, 北京 100081
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。
几何光学 自由曲面 成像系统 初始结构 系统优化
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
本文根据像差理论，开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式，该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散，并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构，使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果，本文设计了光谱范围为380~780 nm，数值孔径为0.15，光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构，大大简化了后续优化的复杂程度。
自由曲面棱镜 光线追迹 消像散 初始结构 光学设计 freeform curved prism ray tracing anastigmatism initial structure optical design
