光学自由曲面检测光路方案及关键部件设计研究

论文摘要

自由曲面光学元件有诸多优点,在光学成像系统中使用时,不仅可以有效校正系统像差、提高成像质量,还可以减少系统单元数量及重量。在高性能照明系统设计中使用,可以有效提高光能利用率,为设计提供了相当大的自由度。尽管如此,光学自由曲面还不能进入到现代光学系统的主流中去,问题之一就是高精度、快速检测技术。通过对光学自由曲面面形特征及描述方法的学习,总结了在光学设计中光学自由曲面的表达方式。研究了目前光学自由曲面的检测方法,并进行分析比较,选出一种最具优势的方法——在干涉光路中引入微透镜阵列产生多视场干涉图检测光学自由曲面。本文围绕这一检测方法进行分析,得出在干涉光路中起关键作用的两个光学元件：微透镜阵列和有限共轭等晕型标准球面透镜组。分别对这两个元件进行分析,首先研究了传统标准球面透镜组的特点和工作原理,分析了有限共轭等晕型标准球面透镜组的特点及工作原理,通过对其进行基本的像差分析,确定可行的光学结构,通过优化分析,最终设计出两组符合要求的标准球面透镜组,PV值均优于λ/20。然后对微透镜阵列的基本结构和参数进行分析统计,得出其数值孔径所处的数量级,并对实验室现有的微透镜阵列进行分析,设计出了增大微透镜阵列数值孔径的光学系统,为实验平台的搭建做好了理论工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景及意义
• 1.2 本论文的研究内容
• 2 光学非球面检测方法的研究
• 2.1 光学非球面的面形表达
• 2.2 非干涉测量法
• 2.2.1 轮廓仪法
• 2.2.2 哈特曼法
• 2.3 干涉测量法
• 2.3.1 零位检测法
• 2.3.1.1 补偿法
• 2.3.1.3 无象差点法
• 2.3.2 非零位检测法
• 2.3.2.1 径向剪切法
• 2.3.2.2 子孔径拼接法
• 2.4 本章小结
• 3 光学自由曲面的相关研究
• 3.1 光学自由曲面面形表达方法
• 3.1.1 Coons曲面的构造方法及特点
• 3.1.2 B样条曲面的构造方法及其特点
• 3.1.3 NURBS曲面的构造方法及特点
• 3.1.4 光学自由曲面在设计中的表达方式
• 3.2 光学自由曲面的加工
• 3.3 光学自由曲面的检测方法
• 3.4 本章小结
• 4 有限共轭等晕型标准球面透镜组的设计
• 4.1 传统标准球面透镜组的工作原理
• 4.2 有限共扼等晕型标准球面透镜组的工作原理
• 4.3 有限共轭等晕标准球面透镜组的设计
• 4.3.1 有限共轭等晕标准球面透镜组的结构选型
• 4.3.1.1 传统标准球面透镜组的结构选型
• 4.3.1.2 有限共轭等晕型标准球面透镜组的结构选型
• 4.3.2 有限共轭等晕标准球面透镜组的设计结果及像质评价
• 4.3.2.1 设计结果
• 4.3.2.2 像质评价
• 4.4 公差分析
• 4.5 本章小结
• 5 增大微透镜阵列数值孔径的光学系统设计
• 5.1 微透镜阵列（MLA）数值孔径分析
• 5.1.1 微透镜阵列介绍
• 5.1.2 微透镜阵数值孔径分析
• 5.2 对小数值孔径的微透镜阵列（MLA）的分析
• 5.3 增大微透镜阵列（MLA）数值孔径的光路方案
• 5.4 10倍无焦系统的光学设计
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 不足和展望
• 致谢
• 参考文献