自由曲面在空间光学的应用
自由曲面在空间光学中的应用
在当今的生活中，自由曲面（Free-form ）扮演着越来越重要的角色。如汽车车身、飞 机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。 到底什么是自由曲面？简单来讲， 在工业上
我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状， 需要构造新的函数来进行研究；
在光学系统中，光学自由曲面没有严格确切的定义， 通常是指无法用球面或者非球面系数来
表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。 在我们的
日常生活中，打印机、复印机以及彩色 CRT中都会用到光学自由曲面。鉴于光学自由曲面
在我们的生活中扮演着越来越重要的角色， 所以，以下就自由曲面在空间光学方面的情况进
行了调研。
一、 自由曲面简介
光学自由曲面没有严格确切的定义， 通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲
面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。 光学自由曲面已经渗透
到我们生活中的各个角落， 如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜， 就是自由曲面技术在
眼用光学镜片中的成功应用。
自由曲面光学镜片主要有两种： 一是自然形成的曲面； 二是人工形成的曲面。 人工形成
的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。
二、 自由曲面运用的原因
空间遥感光学系统是在离地 200km （低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进 行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点。 如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率 的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。
光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一， 在一定F/#的
前提下，入瞳直径越大， 空间相机地面像元分辨率越高。 但入瞳直径的增加，意味着所有与
孔径相关的像差增加。受空间环境中力学、热学、 压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一
定程度（通常200 mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。为了简化光学系 统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差， 然而通过运用自由曲面
的应用，可以解决像差增大的问题。 由于自由曲面光学元件具有非对称结构形式， 能够提供
灵活的空间布局，拓展了优化自由度， 提升了光学系统的像差平衡能力， 从而显著改善了光
学系统的视场适应能力。采用基于自由曲面的离轴反射式光学系统设计技术可以使光学载荷
获得更大的成像视场， 提升遥感器的成像质量， 避免采用多台相机视场拼接带来的制造成本 和发射成本的剧增。
同时随着数控光学加工技术的进步，以及 CGH光学面形检测技术的不断进步，自由曲
面光学元件正逐步得到应用。
三、自由曲面的数理模型
作为光学元件的面形表达式必须具备 4种特性，即连续阶特性、函数值唯一性、坐标
轴无关性和局部控制性。 连续阶特性是指表达式具有一阶以上连续导数， 无突变点。函数值
唯一性保证光线与曲面交点的唯一性。坐标轴无关性是指函数值不受坐标系的改变而变化，
保证数据在光学设计、加工和装调过程中的无损传递。局部控制性是指表达式能够实现面形
的局部控制，实现对非对称像差的平衡。自由曲面的数理模型有很多种，例如 Zernike多项
式、XY多项式、高斯方程等，详见式(1)〜式(3)。以上3种多项式均具备这 4种特性。
Z =——,b — +曷 A z I
1 + 5 —( 1+5字 I
式中乙分别表示成，
乙=乙侦・伊) (1)
乙=工侦 ⑵
Zf = exp( — /?/) (3)
图4 自由曲面应用r头，显示器中
这3种自由曲面表达式各有优点。 Zernike多项式为圆域正交，各项系数之间不会互相
干扰，且与几何像差一一对应，不会出现高次项与低次项互相抵消的情况； XY多项式与数
控光学加工的表达形式一致， 最适合确定式加工； 径向基函数局部控制力最强， 像差平衡能
力最强，同时其属于矩阵形式，最适合变形镜或子孔径拼接的面形描述。将这 3种表达式
应用于头盔显示系统设计中。光学系统设计参数见表 1所示。
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表3 平移项放升后设计结果
I dbh 3 Results Fret piMmi
丧面类型 35 Ip Hirn处平均
MTF值 最大蹲交
X V表面 0. 2.35%
Zornikr 衣旧 0. fi-15 1,89%
楝向基函数表面 1), 657 2. 01%
3种自由曲面表达式均具有很强的像差平衡能力，放开平移项后 Zernike表面与径向基
函数表面的优化结果几乎相当， 系统特征频率下的 MTF稍低，但畸变优于径向基函数表面。 由此可见，优化变量要针对系统残余像差的类型进行选取， 并因此会影响自由曲面的像差平
衡能力。考虑到自由曲面光学系统数据在设计、加工、检测、装调链路中的无损传递，目前 仍然选择Zernike表面作为自由曲面的数理模型。
四、自由曲面光学系统像差理论
轴对称系统所有光学元件拥有唯一的对称轴， 称为光轴。轴对称系统的像差可采用标量
波像差理论进行描述，见公式（4）,其中H为像高，p为入瞳直径。理想的轴对称系统的 全视场像差以视场中心对称，仅有一个节点（零点），规律简单，如图 5所示，图6 （a）。
6 （c）依次为彗差、像散和场曲。
ST轴对粮系统
图L轴对称系统像美特性
当轴对称系统出现一个小的失调量时， 在原波像差公式中将引入失调量 g,于是适用于
轴对称系统的标量波像差变形为含有较小矢量偏量的矢量波像差公式，见公式（ 5）。随着
该矢量偏量oj的引入，轴对称系统像差对称性发生了改变， 对称中心发生了偏移，采用CODE
V软件进行像差模拟，结果如图 7所示，像散出现双节点现象。当系统发生较大偏心或倾
斜时，系统像差特性将变得更加复杂，例如平面对称系统［ 3 — 4］。
(p • /*)V ( H — ff-, ) • p
阁7 尖调的对稼系统像八特性
平面对称系统是指系统以 YZ平面对称面，见图 8所示。主镜和次镜在 YZ平面内发生 偏心和倾斜，使波像差公式中引入矢量 i • H和矢量i • p ,相比于轴对称系统由于小的失 调量q对像差的影响要大得多。平面对称系统像差种类相比标量波像差种类大大增加， 一级
像差由3种即平移、离焦和倾斜，增加到 5种，三级像差由5种增加到11种，五级像差由
9种增加到35种。美国亚利桑那大学的 JoseM.Sasain教授对平面对称系统的一级、三级
由于自由曲面本身失对称， 使得自由曲面系统也完全非对称， 相比于平面对称系统， 其
像差规律更加复杂，目前尚未对该类系统的像差函数完成推导和归纳。 但从视场像差图形中
可以定性得到自由曲面系统像差的 4大特点：
a）像差节点不止一个；
b ）像场不再以中心对称;
c ）像差无确定指向； 和五级波像差进行了推导和归纳, 而七级以上的波像差规律更加复杂, 目前还没有得到推导。
d）像差种类更多。
虽然目前未能完成自由曲面光学系统的波像差的推导和归纳， 但是这并不影响设计过程
中对光学系统参数和像质的优化和控制。方法包括：
a ）通过对重点光线的精确控制实现光学系统一阶参量的掌控；
b） 对全视场进行差权平衡，控制像面的振荡和异变；
c） 编写自由曲面偏离量拟合及约束程序，实现自由曲面制造性控制。通过以上方法，
并结合CODE V中用户优化评价函数功能，完成了一套针对空间遥感应用的自由曲面光学 系统的设计和像质评价。
五、自由曲面空间光学系统设计
针对空间遥感光学系统追求大幅宽的应用需求， 我们将自由曲面应用于四反射式光学系
统中，实现了 76。视场的全反射式光学系统设计。具体光学系统参数见表 4,光学系统图
见图10所示。光学系统采用四反射式光学系统形式，主镜和三镜为凸面反射镜，二镜和四
镜为凹面反射镜。其中主镜为球面反射镜，二、三、四镜为自由曲面反射镜。表 5为光学
系统数据。二、三、四镜均采用 CODE V软件中的Zernike多项式描述的自由曲面面形。
其中三镜面形拟合如图 11所示，其相对于最接近球面的偏离量 PV值为210入，RMS值为
47入，评价波长为632.8nm。其中二、四镜面形拟合如图 12所示，其相对于最接近球面的
偏离量PV值约1148入，RMS值292入。采用确定式数控加工技术进行自由曲面加工，并
采用CGH干涉补偿检测技术进行面形检测，其中三镜 CGH的尺寸约为①100mm ,其条纹
密度低于50lp / mm,二四镜 CGH尺寸约为 ①135mm，其条纹密度低于 200lp / mm。
Tahk I lit引丈m piiinimitlci^ nf i叩（ikul
fe||> 600 mm
用场 W
入W宜役 S3 mm
咬fit1 4$ mm L 乃 mm
寂段2；0. '2 mm- L 60 mm
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Tihle H IkM 4 of}lic»l sjxlem
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M33.2
次置 1 1 自由曲而 51 a. 3
三总 1尚,7 自由岫 —【15,3
1 125.4
662.13
对于大视场空间多光谱遥感相机如何控制不同视场下的光谱漂移是技术难题之一。 系统
采用远心光路设计，不同视场主光线与干涉滤光片法线夹角小于 3° ,全视场成像光谱漂移
小于1nm。满足高精度多光谱遥感相机的应用指标要求。
采用全视场差权平衡，对 76。成像视场内实现多点监控。采用波像差对全视场像差进
行平衡，利用CODE V的全视场波前多项式拟合功能，对视场内的彗差和像散进行拟合，
通过对像差节点控制，实现对系统成像质量的优化。图 13为全视场波像差图，未对 2个边 缘设置优化控制点，波像差明显增大，而设有控制点的视场内波像差变化不大，无突变点。
图14为彗差项即Z7和Z8项的拟合，各视场彗差方向不一致， 但是在差权的控制下全视场
范围内彗差值差别不大， 节点为条形视场的中心。 图15为像散项即Z5和Z6项的拟合，像
散节点增加到6个，方向规律复杂，全视场范围内彗差值差别不大，边缘未设控制点区域， 像散明显增加。
非朗伯分布LED光源的自由曲面设计
非朗伯分布LED光源的自由曲面设计
随着光学制造技术的发展，光学元件的设计越来越注重实际效果和适用性。其中，光源的设计是一个关键因素，因为它决定了光线的属性，如形状、强度和方向等。在LED光源的设计中，非兰伯分布的自由曲面设计可以产生更加均匀的光分布，提高光源的光效。
光学设计的主要任务是将光线聚焦在目标上，使其生成所需的照明效果。这个任务的实现需要光源吸收、反射、折射和散射光线。在光源设计中，不同类型的光源产生的光线分布特性不同，如凸透镜、反射镜或非球面透镜等。根据要求的照明条件，可以将光源的设计分为两类：光通量和光强均匀的设计以及角位置的光强和颜色的均匀设计。
兰伯分布（Lambertian Distribution）是一个常用的模型，用于描述理想的漫反射光线的光线分布特性。兰伯分布LED光源的光强分布呈现出一个圆锥形分布，中心亮度较高，边缘区域亮度逐渐变弱。这种分布特性适用于一些特定应用，如在显示器、透视图和相机模拟中使用。但在实际照明领域中，这种光线分布不太合适，因为它无法产生光强更加均匀的光源。
非兰伯分布的自由曲面设计可以解决这个问题。自由曲面设计指的是使用非球面曲面制造透镜的特定形状，以控制光线的形状和强度。在这种设计中，通过从光线池中绘制和优化繁琐的光线路径以及从CAD中生成曲线，在设计出特定的非兰伯光源。这种光源使用复杂的光学元件来控制光的形状，以产生更加均匀的光线分布。
自由曲面的设计过程中，需要考虑的参数有非球面曲面的形状和曲率半径，光源的大小和形状以及目标区域的面积和形状。随着这些参数的变化，光源的光强分布特性也会发生变化。在光线模拟和优化过程中，需要使用计算机模拟软件进行分析和调整，以达到最佳的效果。
非兰伯自由曲面光源的优点是能够产生更加均匀和稳定的光线分布，提高光源的光效和照明效果。这种光源适用于许多不同的照明应用场景，如商业建筑、道路照明、车辆照明和户外广告照明等。在照明设计领域中，非兰伯光源的应用将会越来越广泛，并且随着技术的发展，设计和制造难度也将逐渐降低。
大视场光学自由曲面f-theta透镜设计
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 1 / 11 大视场光学自由曲面f-theta透镜设计
摘要光学自由曲面是指没有旋转对称的光学面，一
般无法由方程来描述，因此在设计中是个难点，而因
为它优秀的特性，又成为了现今光学设计的热点。F-theta透镜是一种特殊的透镜组，由于它像高与角度
的高度线性关系，经常被应用于扫描等场合。利用自由曲面进行F-theta透镜的设计可以提高镜头的使用性
能。本文以此为基础，利用Zernike多项式在Zemax
中对自由曲面进行定义，从多个途径出发尝试设计大视场F-theta透镜。针对工作波长1064nm视场60°
的系统要求，对四种常用结构设计进行了讨论，得到了相关经验数据以及比较结果。此项研究适应光学设
计的发展趋势，对现代光学工程的发展具有较大实验
价值和理论价值。12661
关键词 光学自由曲面 F-theta 光学设计 Zernike多项式
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleDesign of large field f-theta lens with free-form
surface
Abstract
Optical Free-form Surface generally refers to the optical
surface without rotating axis of symmetry,that is cannot described by equation. But because its good features, it also
becomes the hot spot of current optical designs . F-theta
基于光学自由曲面的离轴三反光学系统
第ｌ９卷第ｌ２期 ２０１１年１２月 光学精密工程 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１９ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．２Ｏ１１
文章编号 １００４—９２４Ｘ（２０１１）１２—２８１３—０８
基于光学自由曲面的离轴三反光学系统
薛栋林 ，郑立功，张 峰
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室，吉林长春１３００３３）
摘要：为了研制长焦距大视场离轴三反空间光学系统，描述了自由曲面光学数理模型，设计了基于自由曲面的离轴三反 光学系统。针对焦距为４ ５００ ｍｍ，成像视场角为１１。，系统总长与焦距的比值为１／３的光学系统，对比分析了传统离轴 三反光学系统和次镜为自由曲面的离轴三反光学系统的关键性能。在提出的光学系统中次镜采用自由曲面设计，提升 了光学系统的像差平衡能力；最终选用相对子Ｌ径为ｉ／９．５的设计方案，使光学系统全视场平均波像差优于０．０３０Ｘ（Ｘ一 ６３２．８ ｎｍ），平均传递函数优于０．４３４（７１．４ ｌｐ／ｍｍ），接近衍射极限；在同等条件下系统设计传递函数比传统离轴三反系 统提高５ 以上。优化设计后光学系统自由曲面次镜与理论球面偏差为１．１ ，采用定制的标准球面镜结合基于数字样 板的非零位检测方法可完成面形实时高精度检测，解决了大口径凸自由曲面检测的难题。结果表明，采用基于自由曲面 次镜的空间光学系统，具有体积小、技术可实现性强、波像差和传递函数等关键性能优越等优点。 关 键 词：光学设计；长焦距大视场光学遥感器；离轴三反光学系统；自由曲面反射镜 中图分类号：ＴＨ７０３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１ｌ１９１２．２８１３
Ｏｆｆ－ａｘｉｓ ｔｈｒｅｅ－ｍｉｒｒｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｍｉｒｒｏｒ
ＸＵＥ Ｄｏｎｇ—ｌｉｎ ，ＺＨＥＮＧ Ｌｉ—ｇｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇ
zemax自由曲面公式
zemax自由曲面公式
摘要：
1.Zemax自由曲面简介
2.Zemax自由曲面公式概述
3.自由曲面公式应用实例
4.自由曲面设计的注意事项
5.总结与展望
正文：
Zemax是一款知名的光学设计软件，广泛应用于光学镜头、自由曲面和成像系统的设计。自由曲面是光学元件中一种非球面的表面，具有较高的设计灵活性和广泛的应用前景。本篇文章将介绍Zemax自由曲面公式，并举例说明其在实际应用中的操作方法。
一、Zemax自由曲面简介
Zemax中的自由曲面是通过一组参数来描述的，这些参数决定了曲面的形状、位置和光学性能。在Zemax中，自由曲面可以分为两大类：一类是基本自由曲面，另一类是高级自由曲面。基本自由曲面包括线性多项式、二次多项式等，而高级自由曲面包括非线性多项式、环形多项式等。
二、Zemax自由曲面公式概述
在Zemax中，自由曲面的公式主要涉及曲面的径向坐标和角向坐标。径向坐标表示曲面到指定点的距离，角向坐标表示曲面在某一点的法线方向。以下是自由曲面公式的基本形式： r = f(u, v)
其中，r表示径向坐标，u和v分别表示角向坐标。f(u, v)为一组参数方程，描述了曲面的形状和光学性能。
三、自由曲面公式应用实例
以下是一个简单的自由曲面设计实例：
1.打开Zemax软件，创建一个新的项目。
2.在项目中添加一个光学系统，包括光源、透镜、反射镜等组件。
3.选择一个光学元件，如透镜，将其表面类型改为自由曲面。
4.在自由曲面参数设置窗口中，输入径向坐标和角向坐标的公式，如：
r = 2 + 3*u^2 + 2*v^2
5.设置光学元件的其他参数，如厚度、材料等。
6.应用自由曲面公式，生成曲面模型。
7.使用Zemax的光学模拟功能，评估光学系统的性能。
四、自由曲面设计的注意事项
1.合理选择公式参数，以确保曲面具有良好的光学性能。
2.注意曲面的加工难度，避免使用过于复杂的公式。
自由曲面光束整形
自由曲面光束整形
自由曲面光束整形是一种先进的光学技术，用于控制和调整光束的形状和方向。在许多应用中，如激光加工、照明、通信和医疗等领域，需要精确控制光束的形状和大小，以实现高效、精确和可靠的操作。自由曲面光束整形技术可以满足这些需求，并具有一些独特的优势。
首先，自由曲面光束整形技术使用自由曲面的光学元件来控制光束的形状和方向。这些元件的形状可以根据特定的需求进行设计和优化，从而实现更精确的光束控制。与传统的光学元件相比，自由曲面的光学元件具有更高的灵活性和适应性，可以更好地适应各种复杂的光束整形需求。
其次，自由曲面光束整形技术可以实现高精度的光束整形。通过精确控制光学元件的形状和位置，可以实现对光束的精确调整，包括光束的大小、形状和方向等。这种高精度的光束整形可以实现更高的操作精度和更可靠的操作效果，对于需要精确控制光束的应用来说是非常重要的。
此外，自由曲面光束整形技术还具有高效、紧凑和轻便等优点。由于使用了自由曲面的光学元件，因此可以减少传统光学系统的复杂性和体积，实现更高效、紧凑和轻便的光学系统。这使得自由曲面光束整形技术成为许多应用领域的理想选择，特别是在需要高精度、高效率和小型化的应用中。
总之，自由曲面光束整形技术是一种先进的光学技术，用于控制和调整光束的形状和方向。它具有高精度、高效、紧凑和轻便等优点，可以满足各种复杂的光束整形需求。在未来的发展中，随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，自由曲面光束整形技术将会进一步发展和完善，为更多的应用领域提供更好的解决方案。
zemax自由曲面方程
zemax自由曲面方程
Zemax是一款光学设计软件，用于模拟和优化光学系统。它可以帮助工程师设计和分析各种光学元件，包括自由曲面。
自由曲面是一种非球面曲面，通常用于光学系统中的非常规形状或特殊要求。在Zemax中，自由曲面可以通过定义其曲率半径、球心位置、倾斜角度以及其他参数来描述。
自由曲面的方程可以根据其具体形状和参数而变化。以下是几个常见的自由曲面方程示例：
1. 球面：球面是最简单的自由曲面形状之一，其方程可以表示为：
(x x0)^2 + (y y0)^2 + (z z0)^2 = R^2。
其中，(x0, y0, z0)是球心的坐标，R是曲率半径。
2. 椭球面：椭球面是具有椭圆截面的自由曲面，其方程可以表示为：
(x x0)^2/a^2 + (y y0)^2/b^2 + (z z0)^2/c^2 = 1。
其中，(x0, y0, z0)是椭球面中心的坐标，a、b、c分别是椭圆在x、y、z方向上的半轴长度。
3. 抛物面：抛物面是具有抛物线截面的自由曲面，其方程可以表示为：
z = ax^2 + by^2 + c.
其中，a、b、c是抛物面的参数，决定了曲面的形状和位置。
4. 椭圆柱面：椭圆柱面是具有椭圆截面的自由曲面，并且在z方向上是无限延伸的，其方程可以表示为：
(x x0)^2/a^2 + (y y0)^2/b^2 = 1。
其中，(x0, y0)是椭圆柱面中心的坐标，a、b分别是椭圆在x、y方向上的半轴长度。
需要注意的是，以上方程只是自由曲面的一些常见形式，实际应用中可能会有更复杂的方程形式。在Zemax中，可以根据具体需求和光学系统设计的要求，定义自由曲面的方程和参数，进行光学系统的建模和优化。
ar 自由曲面棱镜 光路原理
ar 自由曲面棱镜 光路原理
自由曲面棱镜是一种光学元件，使用自由曲面来定向和控制入射光线。它将光线分散成不同的颜色，因此被广泛用于分光仪和光谱仪等光学仪器中。
光路原理是描述光线在光学系统中传播的原理和规律。对于自由曲面棱镜来说，其光路原理可以简单地概括为以下几点：
1. 入射光线从环境中进入自由曲面棱镜，在镜面上发生反射。根据光线的入射角度和反射定律，可以确定反射光线的方向。
2. 自由曲面棱镜上的曲面形状决定了光线在曲面上的传播路径。光线在曲面上传播时会被折射，根据折射定律可以确定折射光线的方向。
3. 自由曲面棱镜的曲率半径和介质折射率等参数，以及光线的入射角度和入射位置，可以影响光线在棱镜内部的传播路径和偏折角度。
4. 在棱镜内部的不同位置，光线受到弯曲和聚焦的影响，导致光线在不同位置汇聚或发散。
总之，自由曲面棱镜通过利用曲面形状和光线的折射、反射规律来控制和定向入射光线的传播路径。光路原理描述了光线在棱镜中传播的规律，这对于设计和使用自由曲面棱镜具有重要的意义。
自由曲面光学系统设计中目标面照度分布的优化
２０１１年１２月 第２２卷第６期 照明工程学报 ＺＨＡ０ＭＩＮＧ Ｇ０ＮＧＣＨＥＮＧ ＸＵＥＢＡ０ Ｄｅｃ． ２０１１ Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．６
自由曲面光学系统设计中目标面照度分布的优化
赖伟 陈伟民 刘显明 雷小华 胡顺仁 杜晓睛 王福权
（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室光电工程学院，重庆４０００４４）
摘要：以驾驶员视觉光环境需求为约束、以灯具总光通量最小为目标，建立了ＬＥＤ路灯自由曲面光学设计时所 需的道路路面照度分布优化模型，利用Ｌｉｎｇｏ软件得到了次干路最佳照度分布，相比与基于均匀照度分布设计的 ＬＥＤ路灯节能３０％左右。 关键词：照度分布；ＬＥＤ路灯；自由曲面光学系统；优化
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｐｌａｎｅ
ｉｎ ｔｈｅ Ｆｒｅｅｆｏｒｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ
Ｌａｉ Ｗｅｉ Ｃｈｅｎ Ｗｅｉｍｉｎ Ｌｉｕ Ｘｉａｎｍｉｎｇ Ｌｅｉ Ｘｉａｏｈｕａ Ｈｕ Ｓｈｕｎｒｅｎ
Ｄｕ Ｘｉａｏｑｉｎｇ Ｗａｎｇ Ｆｕｑｕａｎ
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｈｉｃｈ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｒｉｖｅｒｓ ａｓ ｔｈｅ
ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｔｏｔａｌ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｆｌｕｘ ｏｆ ＬＥＤ ｌｕｍｉｎａｉｒｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｇｏａ１．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｓｏｌｖｅｄ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｅｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＬＥＤ ｒｏａｄ
用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计
用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计
刘雁杰;惠彬;李景镇;丁金妃;朱天龙
【摘 要】In order to improve the collimation efficiency of illumination
system of DLP projector and simplify the optical path, a free-form TIR lens
is used as the collimating component. The coordinates of profile curve of
the transmitting part and total reflecting part are calculated by Matlab
according to the Snell's law and iterative method at first. Then the TIR lens
model is established with Pro/E. The ideal point source and surface source
are also used to do the simulation. The view angle is collimated to±7°by
the TIR lens. Finally, the suitable parameter of TIR lens is set according to
DMD chip and LED source. The final uniformity of DLP illumination is about
90%, which can meet the related standard.%为了提高 DLP 投影照明系统中准直部分的准直度并简化准直光路,采用一种自由曲面的 TIR透镜作为 DLP 投影照明系统的准直器件.首先根据空间斯涅耳定律推导出反射曲面以及透射曲面母线上的点的坐标关系,并采用迭代的方法使用 Matlab 软件计算出母线上各个点的坐标并绘制出曲线图形,然后利用Pro/Engineer对TIR准直透镜进行建模得到TIR准直透镜的模型.分别用理想点光源和扩展光源进行模拟,经过TIR透镜准直后光束发散角在±7°以内,并根据选用的DMD芯片和LED光源选择合适的TIR透镜参数,建立DLP投影照明系统后进行模拟仿真,最终均匀度达到了90%,满足了投影照明系统的需求.
利用CODEV设计含有自由曲面的光学系统
・１２０・ 应用光学Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ
文章编号：１００２ ２０８２（２００６）０２一Ｏ１２０—０４
利用ＣＯＤＥ Ｖ设计含有自由曲面的光学系统
何玉兰 ，刘 钧 ，焦明印 ，罗传伟
（１．西安应用光学研究所光学技术研究室，西安７１００６５； ２．西安工业学院光电科学与工程学院，西安７１００３２）
摘 要： 由于自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，使光学系统的结构得到了简化，像质得到 了提高。本文通过设计实例详细介绍了在光学设计软件ＣＯＤＥ Ｖ中运用用户自定义面型ＵＤＳ
（ｕｓｅｒ ｄｅｆｉｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）的功能和计算机动态链接库ＤＬＬ（ｄｙｎａｍｉｃ ｌｉｎｋ ｌｉｂｒａｒｙ）软件技术设计含有
自由曲面光学系统的方法。通过利用此方法设计了球面和锥面光学系统，验证了其准确性和可靠 性。并且利用此项技术设计了含有自由曲面的光学系统，使光学系统达到了质量轻、体积小的设计
目标。此项技术扩充了ＣＯＤＥ Ｖ软件的功能，有效地拓宽了ＣＯＤＥ Ｖ计算复杂面型的能力。
关键词： 自由曲面；光学设计；用户自定义面型；ＣＯＤＥ Ｖ 中图分类号：ＴＨ７４ 文献标志码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｒｅｅ ｆｏｒｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ＣＯＤＥ Ｖ
ＨＥ Ｙｕ—Ｌａｎ 。。。ＬＩＵ Ｊｕｎ。，ＪＩＡＯ Ｍｉｎｇ—ｙｉｎ 。ＬＵＯ Ｃｈｕａｎ—ｗｅｉ （１．Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｐａｔｉａｌ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｆｒｅｅｄｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｆｏｒｍ ｓｕｒｆａｃｅ（ＦＦＳ），ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ