光学自由曲面检测光路方案及关键部件设计研究

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。
　　 本文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。