摘要：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。

摘要：针对长焦镜头小型化、轻量化的设计需求,基于离轴三反结构探索紧凑型长焦光学系统设计方案。利用圆锥曲面焦点共轭的光学特性,通过相邻反射面焦点重合的方式构造可对轴上点完善成像的初始结构,并在此基础上,通过追迹特征光线建立针对离轴三反结构的光线无遮拦判定条件,从小视场出发制定视场扩展与自由曲面面形的优化设计策略。以长焦手机镜头为例,设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头。其尺寸为26 mm×24 mm×10 mm,仅由3个反射面构成,MTF优于0.2@114 lp/mm,畸变低于0.5%,相对照度高于95%,像面无暗角。该系统无遮拦,无色差,且相较于常规潜望式长焦镜头,在小型化、轻量化方面具备明显优势,为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。

摘要：为了满足电子内窥物镜小体积、大视场的成像需求,将双层同心透镜作为初始结构,并在球透镜的最后一面叠加环带拼接面型,实现平场成像,之后进行多环带的面型融合,生成了完整面型。采用Q-type非球面表征的连续拼接面型可以保证成像质量,同时可以满足连续性要求。最终优化得到了工作于可见光波段、全视场90°、系统长度仅为2.81 mm且仅由4个折射面构成的电子内窥物镜系统。该系统的全视场场曲小于0.1 mm,畸变在20%以内,在72 lp/mm下的调制传递函数可超过0.3,全视场相对照度大于0.5,满足电子内窥物镜的成像要求。

摘要：将焦距的内涵由零视场拓展至全视场,局部焦距可被用来表征各视场处极小视场角增量光线对应的像高增量,畸变则等效为随视场变化的局部焦距。继而,将局部焦距引入光学系统的设计过程用于畸变的表征与控制,可获得算测融合的效果。针对鱼眼镜头大视场、中央视场分辨率高且无畸变的成像目标,通过对局部焦距的追迹计算和优化控制,设计了全视场角160°,50%中央视场满足f-tanθ等线投影的鱼眼镜头。针对有限物距曲面物体复杂成像场景,通过对局部焦距的调控变换,为多种曲率半径数值的凸、凹物面设计了相应的广角镜头,满足了120°视场范围内物方等分辨率投影映射的效果。

摘要：针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题,提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数(BRDF)的散射光线追迹概率模型,通过设置检验条件规避了积分求解过程,进而筛选出有效角度坐标,实现散射光线追迹,该方案具有适用范围广的优势。对于具有平移不变性的BRDF模型,进一步提出对称采样方案,通过将采样区域减半后再镜像提升速率。设置表面属性、入射角与追迹光线数量等仿真条件相同,编制了本文方案的仿真程序,对不同光机结构材料进行建模仿真后从重复性和精确度方面与LightTools软件运算结果作对比验证,基于拒绝采样法编制程序的仿真结果可以与软件模型结果相媲美。最后对软件中未包含的BRDF模型进行建模仿真以进一步验证上述方案的普适性。

摘要：光学椭率是联系天文望远镜光学设计与暗物质探测科学目标的一项核心性能指标,然而目前还没有将椭率作为指标融入光学系统优化设计过程的完整方法。提出了一种融合光学椭率判据的自由曲面望远镜光学设计方法,依据椭率与彗差、像散等非旋转对称像差的关系,提出了椭率关联性较强的像差分量优先校正原则,开拓了主要离轴像差校正后通过MZDDE在评价函数中融入椭率判据的设计思想,结合离轴三反系统中像差节点与椭率节点在优化过程中的演变规律,建立了自由曲面面型Zernike项的优化策略。据此设计了离轴三反自由曲面天文望远镜,系统有效焦距为600 mm,口径为200 mm,视场为4°×4°。通过波像差和椭率的联合优化,成像像质及光学椭率得到了同步有效控制,波像差近衍射极限,椭率最大值为0.030 3,平均值为0.015 6。与从低阶项到高阶项的传统像差校正优化方法相比,该方法采用相对较小的自由曲面偏差,设计的自由曲面望远镜成像质量和椭率性能得到了同步控制,充分发挥了自由曲面的效能,设计效率优势明显。

摘要：提出了一种基于表面双向反射分布函数(BRDF)离散测量值直接追迹散射光线的方法,以各向同性表面为例,先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换,由散射角半球空间转换到方向余弦空间;再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据;然后,利用舍选抽样法不受限于累积分布函数(CDF)求解过程的优点,设计新的散射概率模型,以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布,设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标,实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性,设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数,编制了本文光线追迹方法的仿真程序,对不同光机元器件建模仿真,对比商用LightTools软件的仿真结果,计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明,基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法,运算结果数据准确,与商用LightTools软件的仿真结果相比,UQI值均在0.998以上,且波动范围小,本方法具有良好地适用性。