【摘要】：傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)通常由球面或者簡單非球面光學(xué)元件組成。隨著光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用場景不斷擴(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)對稱性和強大的面型表征能力為光學(xué)設(shè)計者提供了更多的設(shè)計自由度。應(yīng)用自由曲面能夠設(shè)計出更加優(yōu)秀、滿足特定應(yīng)用場景的光學(xué)系統(tǒng)。隨著光學(xué)加工、檢測、裝調(diào)技術(shù)的提高,自由曲面逐漸成為了未來光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展方向。本文主要在以下幾個方面對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)對稱光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價;自由曲面在反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用;自由曲面在NA1.35投影光刻物鏡的設(shè)計,以及折射率均勻性補償中的應(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;對不同表征形式下的自由曲面的性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)和對比,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,并以像散為研究對象,研究了自由曲面對像散節(jié)點行為的影響。對矢量像差的研究為自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提供了有力的理論指導(dǎo)。(3)針對主流光學(xué)設(shè)計軟件對含有自由曲面的非旋轉(zhuǎn)對稱光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價的缺陷,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。通過光學(xué)設(shè)計軟件與數(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)格可以對光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距和畸變進(jìn)行準(zhǔn)確的計算,并對畸變進(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)計了一款焦距1200mm,F#4,視場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)格對其進(jìn)行像質(zhì)評價;應(yīng)用XY自由曲面和Zernike自由曲面成功設(shè)計了一款焦距50mm,出瞳直徑8mm,視場50°×25°的離軸雙反射鏡頭盔顯示器,該設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊,無色差,具有小型、輕量的特點。(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),同時滿足NA1.35投影光刻物鏡對光學(xué)總長、成像視場、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NA1.35光刻物鏡折射率均勻性進(jìn)行了補償,詳細(xì)推導(dǎo)了自由曲面對折射率均勻性補償?shù)幕驹?并取得了良好的補償效果。
[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】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O439

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本文編號：2441350