自由曲面成像光学系统的全自动设计理论与方法研究

Traditional method for performing an optical design task is to firstly finding a proper starting point and then use computer aided optimization. Extensive human effort and design experience are required in this process. This project will do research on the automated design method of freeform imaging systems. A smarter automated design method is expected here. Different from the traditional optical design methods, the method proposed in this project has only one step. The designers only need to specify an initial planar system with no optical power as the design input. The rest of the design task is realized automatically by point-by-point design process, and the system designed by this method has a high performance with no use of software optimization. This will significantly reduce the requirements on the experience of designers. This project will do research in the aspects of high-precision point-by-point direct design methods of freeform surfaces, high-precision fitting methods of freeform surfaces, search algorithms for the surface positions, correction methods of localized figure error, design methods of hybrid-surface-type systems, etc. In addition, the project will develop an automated CAD software of freeform imaging systems with own intellectual property. The goal of this research has been expected by optical designers for a long time and it is a difficult problem in the area of optical design. The result of this research will open a new path for the freeform optical design and even the whole optical design field.

一直以来，传统光学设计存在初始结构（带光焦度）求解与优化两个独立的步骤。复杂系统的设计需要有多年设计经验的设计人员才能独立胜任，并且要花费大量的时间和精力。通过本申请的研究，期望得到一种自由曲面成像光学系统的全自动设计方法。其设计过程是一个整体，具有“傻瓜”特质，只需输入一无光焦度的平面初始结构，余下的光学设计将全部通过一套逐点设计过程自动实现，无需光学设计软件优化即可实现优良的像质。这可以大大减低光学设 计对设计者经验的要求。本研究将从高精度曲面逐点设计法、高精度曲面拟合法、曲面位置搜 索算法、局部偏差修正技术、混合曲面光学系统设计等方面开展研究，并将研制具有自主知识 产权的自由曲面成像系统的全自动设计软件。本研究的目标是光学设计领域的难题，也是 光学设计者长期以来的期盼。本申请的研究成果将为自由曲面光学设计甚至整个光学设计开辟 一条新的途径。

一直以来，传统光学设计需要求解初始结构求解和优化两个独立的步骤。通常这个过程及其依赖设计人员的设计经验，并且需要花费大量的时间和精力。本项目的目标就是期望得到一种自由曲面成像光学系统的全自动设计方法。不同于传统光学设计方法，该方法将从无光焦度的平面结构开始求解，无需太多经验和人力，不存在初始结构求解与优化设计的两个独立过程，也没有采用传统优化设计中曲面系数优化的方法。通过该自动化设计方法，只需输入光学系统的设计参数和结构约束条件，最终可以获得一些列成像质量达到衍射极限的光学系统。基于本项目的理论研究一套全自动设计的实验软件被成功研制，可用于自由曲面成像系统和混合曲面成像系统的全自动设计。基于该软件可以实现用于航空航天领域的长焦可见光成像系统和小F数的红外光学系统的全自动设计。在设计实例中，只需输入光学参数和结构约束条件，就自动得到了127个接近衍射极限的自由曲面光学系统，以及1000多个优质的初始成像系统。该研究的设计理论和方法已经为自由曲面光学设计甚至整个光学设计的发展开辟一条全新的途径。在完成项目所有预定的研究目标的基础上，还完成了多项光学系统自动设计方法研究：曲面误差低灵敏度光学系统的自动设计方法研究、装配低灵敏度光学系统的自动设计方法研究、小型化离轴反射光学系统的自动设计方法研究、成像光谱仪的自动设计方法研究以及自由曲面光学系统的快速自动设计方法研究。本研究的成果可以用于通用光学设计软件，极大减小了光学设计对设计人员经验的依赖，并大幅提高了设计效率。该项目也有助于我们探索新型光学系统和以及在光学设计领域中的进一步研究。