【摘要】：傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)通常由球面或者簡(jiǎn)單非球面光學(xué)元件組成。隨著光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)展和使用要求的不斷提高,傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足智能化、小型化、低成本的使用要求。光學(xué)自由曲面的出現(xiàn),為解決這一難題提供了思路。光學(xué)自由曲面的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和強(qiáng)大的面型表征能力為光學(xué)設(shè)計(jì)者提供了更多的設(shè)計(jì)自由度。應(yīng)用自由曲面能夠設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀、滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景的光學(xué)系統(tǒng)。隨著光學(xué)加工、檢測(cè)、裝調(diào)技術(shù)的提高,自由曲面逐漸成為了未來(lái)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。本文主要在以下幾個(gè)方面對(duì)自由曲面在成像光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究:自由曲面的表征形式;矢量像差理論(節(jié)點(diǎn)理論)在含有自由曲面光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用;含有自由曲面的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià);自由曲面在反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;自由曲面在NA1.35投影光刻物鏡的設(shè)計(jì),以及折射率均勻性補(bǔ)償中的應(yīng)用。以下是本文的主要工作:(1)闡述了自由曲面的不同表征形式,以及不同表征形式下的自由曲面之間的轉(zhuǎn)換方法,為自由曲面光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的獲取提供了思路;對(duì)不同表征形式下的自由曲面的性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)和對(duì)比,為自由曲面的選取提供依據(jù)。(2)詳細(xì)闡述了矢量像差理論在非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)中的三階表達(dá)式,并分析了像差的節(jié)點(diǎn)行為;詳細(xì)闡述了矢量像差理論在含有自由曲面光學(xué)系統(tǒng)中的表達(dá)式,并以像散為研究對(duì)象,研究了自由曲面對(duì)像散節(jié)點(diǎn)行為的影響。對(duì)矢量像差的研究為自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有力的理論指導(dǎo)。(3)針對(duì)主流光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)含有自由曲面的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)的缺陷,提出了最佳參考網(wǎng)格的概念,并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件與數(shù)學(xué)軟件的結(jié)合使用,求解最佳參考網(wǎng)格。應(yīng)用最佳參考網(wǎng)格可以對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距和畸變進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算,并對(duì)畸變進(jìn)行優(yōu)化。(4)自由曲面在反射式光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。應(yīng)用Zernike自由曲面成功的設(shè)計(jì)了一款焦距1200mm,F#4,視場(chǎng)20°×4°,用于空間光學(xué)遙感的離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng),并應(yīng)用最佳參考網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià);應(yīng)用XY自由曲面和Zernike自由曲面成功設(shè)計(jì)了一款焦距50mm,出瞳直徑8mm,視場(chǎng)50°×25°的離軸雙反射鏡頭盔顯示器,該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊,無(wú)色差,具有小型、輕量的特點(diǎn)。(5)自由曲面在NA1.35投影光刻物鏡中的應(yīng)用研究。第一,應(yīng)用Q-type自由曲面成功的將光刻物鏡波像差RMS和畸變優(yōu)化到1nm以內(nèi),同時(shí)滿足NA1.35投影光刻物鏡對(duì)光學(xué)總長(zhǎng)、成像視場(chǎng)、NA一致性、像方遠(yuǎn)心等方面的要求;第二,應(yīng)用徑向基函數(shù)描述的自由曲面對(duì)NA1.35光刻物鏡折射率均勻性進(jìn)行了補(bǔ)償,詳細(xì)推導(dǎo)了自由曲面對(duì)折射率均勻性補(bǔ)償?shù)幕驹?并取得了良好的補(bǔ)償效果。
[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 擄脳 4 擄). An off-axis dual reflective lens helmet display with focal length of 50mm, pupil diameter of 8mm and field of view of 50 擄脳 25 擄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.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O439

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;光學(xué)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;1994年04期

2 ;光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試及設(shè)備[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;1994年02期

3 ;光學(xué)系統(tǒng)、成像與分析[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2000年03期

4 吳福田;一例典型紅外光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算分析[J];大學(xué)物理;2000年05期

5 ;光學(xué)系統(tǒng)、成像與分析[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2001年03期

6 ;光學(xué)系統(tǒng)、成像與分析[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2001年04期

7 ;光學(xué)系統(tǒng)、成像與分析[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2002年01期

8 ;光學(xué)系統(tǒng)、成像與分析[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2002年04期

9 ;光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試與設(shè)備[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2003年05期

10 蕭澤新;眼底電視光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J];光學(xué)技術(shù);2005年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 魏君成;王成;張童;;空間高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)概述[A];第十一屆全國(guó)光學(xué)測(cè)試學(xué)術(shù)討論會(huì)論文（摘要集）[C];2006年

2 陳曉麗;楊秉新;;實(shí)現(xiàn)甚高分辨率空間遙感器的可展開(kāi)光學(xué)系統(tǒng)[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)第十七次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

3 向陽(yáng);白聞喜;姜會(huì)林;胡家升;;目視硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)大會(huì)論文摘要集[C];2006年

4 吳亦農(nóng);黃志光;馮旗;;空間低溫光學(xué)系統(tǒng)研究進(jìn)展[A];2007年全國(guó)第十六屆十三�。ㄊ校┕鈱W(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

5 李劍白;李小蕓;齊豪;陳常彥;;光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)基本指標(biāo)體系及其選用[A];第十三屆全國(guó)光學(xué)測(cè)試學(xué)術(shù)討論會(huì)論文（摘要集）[C];2010年

6 付躍剛;王春艷;王志堅(jiān);;穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)像精度測(cè)試原理方案探討[A];第九屆全國(guó)光學(xué)測(cè)試學(xué)術(shù)討論會(huì)論文（摘要集）[C];2001年

7 唐敏學(xué);沈?yàn)槊?;激光全息技術(shù)校正口徑500mm光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)誤差[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)大會(huì)論文摘要集[C];2006年

8 范清春;劉海波;宿德志;譚吉春;;光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱設(shè)計(jì)及在星敏感器中的應(yīng)用[A];2009年先進(jìn)光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用研討會(huì)論文集（上冊(cè)）[C];2009年

9 葉露;沈湘衡;;多譜段、多光軸精密儀器光學(xué)系統(tǒng)光軸平行性的檢測(cè)方法[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)大會(huì)論文摘要集[C];2006年

10 周文超;彭勇;徐宏來(lái);;大口徑光學(xué)系統(tǒng)綜合像差外場(chǎng)檢測(cè)的方法[A];高精度幾何量光電測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2008年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前3條

1 ;聯(lián)想 引入光學(xué)系統(tǒng)差異化[N];中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào);2004年

2 劉春林;聯(lián)想以品質(zhì)注解品牌內(nèi)涵[N];中國(guó)企業(yè)報(bào);2004年

3 邢廣;10G以太網(wǎng)的物理接口選擇[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2000年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 閆阿奇;大視場(chǎng)三線陣立體航測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2015年

2 宋席發(fā);光機(jī)熱一體化研究及成像分析[D];北京理工大學(xué);2015年

3 劉軍;自由曲面在成像光學(xué)系統(tǒng)中的研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2016年

4 米鳳文;衍/折紅外混和光學(xué)系統(tǒng)及其測(cè)試技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2001年

5 楊曉飛;三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2005年

6 呂博;新型空間飛行器交會(huì)對(duì)接光學(xué)系統(tǒng)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2015年

7 吳泉英;稀疏孔徑光學(xué)系統(tǒng)成像研究[D];蘇州大學(xué);2006年

8 常虹;透射式紅外系統(tǒng)熱光學(xué)穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

9 龍波;輕小型折反式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2013年

10 李娜娜;重疊型復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)的研究[D];長(zhǎng)春理工大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 陳輝;靈巧槍彈探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[D];南京理工大學(xué);2015年

2 曹杏;光學(xué)系統(tǒng)的孔徑遮欄比對(duì)偏振光束傳輸特性的影響[D];西安工業(yè)大學(xué);2015年

3 楊國(guó)鋒;光學(xué)系統(tǒng)中心偏誤差分析方法研究[D];西安工業(yè)大學(xué);2015年

4 劉剛;激光與可見(jiàn)光、紅外三光軸瞄準(zhǔn)偏差測(cè)試技術(shù)研究[D];西安工業(yè)大學(xué);2015年

5 陳靜;非均勻污染對(duì)卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)的影響研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

6 劉盛典;非均勻溫度變化對(duì)卡塞格倫式光學(xué)系統(tǒng)的影響分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

7 陶曾;高分辨率中長(zhǎng)焦光學(xué)系統(tǒng)裝校檢測(cè)平臺(tái)研究設(shè)計(jì)[D];福建師范大學(xué);2015年

8 陳麗娜;光纖熔接機(jī)的高清晰雙攝像頭視頻顯微系統(tǒng)的研制[D];福建師范大學(xué);2015年

9 黃焓;用于光場(chǎng)成像的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[D];浙江大學(xué);2015年

10 石濮瑞;無(wú)運(yùn)動(dòng)部件反射式變焦光學(xué)系統(tǒng)研究[D];北京理工大學(xué);2015年

，

本文編號(hào)：2441350