结构紧凑型自由曲面反射式成像系统设计研究

Reflective imaging systems with compact configurations have small volume and light weight, and they are very important in the defense, industry and scientific research areas. Such systems are highly nonsymmetric and the light beams are overlaid multiple times inside the system. Freeform surfaces are very suitable for these systems design. However, existing compact systems are very rare, and the design process is highly empirical. There are no effective and general design methods at present. This project will do research in the design of freeform reflective imaging systems with compact configuration and high performance. Based on the study on the configuration selection, high-precision point-by-point design methods, system optimization strategies, the aberration theory of general decentered and tilted freeform surfaces, etc, the effective and general design methods of freeform reflective system with compact configuration can be obtained. In addition, this project will do research on the tolerance analysis of compact freeform imaging systems. Based on the above methods, with specific design strategies, this project will do research on the design of several kinds of compact reflective systems with special and important application backgrounds, such as freeform infrared systems for early warning and detection, freeform imaging system containing diffractive surfaces, freeform head-mounted-display system, etc. The achievements of this project have great theoretical and practical significance for the freeform optics research and the high-performance systems design in the aviation and aerospace fields.

结构紧凑型反射式成像光学系统体积小、重量轻，在国防、工业以及科学研究等领域有十分重要的意义。此类系统中光束通常多次重叠，系统结构特殊且高度离轴非对称。自由曲面特别适用于该类系统的设计。但目前实际系统很有限，且设计过程大多高度依赖经验，尚无有效且有一定普适性的设计方法。本申请针对紧凑型自由曲面成像系统设计进行研究。项目将从系统结构选型、高精度逐点设计方法、优化设计策略、一般化离轴倾斜自由曲面的像差特性等方面入手，得到有一定普适性且高效的紧凑型自由曲面反射式成像系统的设计流程与方法。此外将研究该类系统的公差分析方法。基于以上工作，本申请还将结合专门设计思路，突破多类有特殊且重要应用背景的反射式紧凑型系统的逐点设计，包括自由曲面红外预警侦查系统、含衍射面的自由曲面成像系统、自由曲面头盔显示系统等。本申请的成果对自由曲面光学设计研究以及航空航天等领域高性能系统设计有重要理论与实际应用价值。

结构紧凑型反射式成像光学系统在国防、工业以及科学研究等领域有十分重要的意义。自由曲面打破了传统曲面旋转对称以及平移对称的约束，特别适用于校正非旋转对称系统的像差，同时可以减少系统中元件的数量，减小系统的体积与质量，实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能。本项目对紧凑型自由曲面成像系统设计开展研究。主要研究成果包括：(1) 实现了紧凑型自由曲面/相位面混合系统以及自由曲面基底相位元件系统的逐点设计，可直接构建满足要求的系统初始结构，并研究了不同结构以及元件类型的系统的像质特点以及系统体积等。(2) 通过研究自由曲面系统的像差理论，探索总结了复杂与紧凑型自由曲面成像系统优化设计策略。(3) 提出了基于特定概率分布的高斯函数进行自由曲面面形误差描述和公差分析方法，并且考虑了自由曲面的实际加工难度和误差局部性，适用于各种面型、各种像质评价下的公差分析。(4) 提出了基于神经网络深度学习设计自由曲面成像系统初始结构的框架，可以基于网络直接生成满足一定要求的初始结构。(5) 提出了基于强化学习的自由曲面成像系统设计方法，自动探索更优的设计路径与设计结果，并可在学习以及后续数据处理中采用聚类方法总结相关设计经验。(6) 提出了一种基于高斯径向基函数曲面延拓的大视场成像系统设计流程。实现了60度大视场系统设计。(7) 实现了紧凑型、带有实出瞳的自由曲面离轴反射式成像系统设计。(8) 完成了基于自由曲面的紧凑型红外压缩感知成像系统光学设计。与采用传统球面透镜的系统相比，自由曲面系统元件个数少，系统的体积降低了约1/3，透过率提升了约56%。通过样机实验验证了此类系统的压缩感知成像效果。项目研究成果可以用于各类重要应用的成像系统设计以及光学设计软件研制。依托该项目，项目负责人以第一或通讯作者共发表论文13篇，其中SCI论文9篇，EI论文4篇。已获得6项授权发明专利。