Chinese Physical Society物理学报Acta Physica Sinica基于a一y图的光学结构计算方法研究An approach for calculating the optical structure based on ybary diagramLv Xiang-Bo Zhu Jing Yang Bao-Xi Huang Hui-Jie引用信息Citation:Acta Physica Sinica,64,114201(2015)D0l10.7498/aps.64.114201在线阅读View online:http:dx.doi.org/10.7498/aps.64.114201当期内容View table of contents:http://wulixb.iphy.ac.cn/CNN2015W64WI11您可能感兴趣的其他文章Articles you may be interested in双小凹光学成像系统设计Design of dually foveated imaging optical system物理学报.2015,64(3)034201htp:ldx.doi.org/10.7498/aps.64.034201室内可见光通信系统中菲涅尔透镜接收天线的设计研究Design and study of Fresnel lens for an antenna in indoor visible light communication system物理学报.2015,642)024201http:/ldx.doi.org/10.7498/aps.64.024201基于压缩感知超分辨鬼成像Super-resolution ghost imaging via compressed sensing物理学报.2014,63(22：224201htp:ldx.doi.org/10.7498/aps.63.224201线照明并行谱域光学相干层析成像系统与缺陷检测应用研究Line-field parallel spectral domain optical coherence tomography and its application in defect inspection物理学报.2014,63(19)：194201htp:ld.doi.org/10.7498/aps.63.194201双向使用高非线性光纤实现同时解复用出两路10G6/s信号Simultaneous demultiplexing into two 10 Gbit/s using a bidirectionally operated highly nonlinear fiber物理学报.2014,63(2y024201http:1dx.doi.org/10.7498/aps.63.024201物理学报Acta Phys..Sin.Vol.64,No.11(2015)114201基于oar-y图的光学结构计算方法研究*1)(中国科学院上海光学精密机械研究所，信息光学与光电技术实验室，上海201800)2)(中国科学院大学，北京100049)(2014年11月16日收到：2014年11月30日收到修改稿)本文基于y图，建立了计算光学系统一阶结构的数学模型，并利用粒子群优化算法对模型进行了求解，可以自动优化出各种光学系统的一阶结构.编写了一套含图形用户界面(GUI的软件，将光学系统的基本设计要求进行处理后导入GUI,求解之后利用商用光学设计软件如ZEMAX等，将一阶结构转换为实际透镜结构，然后经过透镜优化，就可以设计出满足要求的光学系统.根据本文所提出的光学结构计算方法，首先进行了1300万像素手机摄像物镜的设计，该物镜使用了4片非球面，各项性能指标能够满足设计要求.然后设计出一套头盔显示光学系统的目镜，使用了两片非球面透镜实现了90°的视场角，其他的性能指标也都满足要求.两类光学系统的设计实例验证了该方法是一种可靠的光学系统一阶结构获取方法关键词：光学设计，几何光学，手机摄像物镜，头盔显示器目镜PACS:42.15.Eq,42.15.-i,42.79.Bh,42.90.+mD0I:10.7498/aps.64.114201速发展之后，这一工作就变得不再繁琐，研究人员1引言开发出各种各样有关像差平衡的算法，透镜优化对光学设计的限制已经减弱.伴随着科学技术的飞速发展，光学在不断涌现透镜优化的工作虽然得到飞速发展，但是初始的新型仪器中所扮演的角色愈加重要.各种各样结构的计算获得的关注却不多.目前设计人员获取的新型光电系统层出不穷，为光学设计这一既古老初始结构的方法一般有两种.一种是根据三阶像又新颗的学料带来了新的活力.在这些新型光电差理论如PW法来计算初始结构，这种方法适用于系统中，光学系统的好坏很大程度上影响着整个系结构并不是特别复杂的系统，并且需要设计人员有统性能的高低，比如有着很大视场角的头戴式显示着深厚的设计经验.另外一种是根据己经公开发表器，(emet-Mounted Display)以及最常见的手的镜头设计专利，选用各项参数接近设计要求的镜机相机倒，光学系统在这些系统中都处于核心地头，稍加修改后就得到了一组初始结构.这种结构位，因此近些年来人们对优秀的光学设计的需求愈是否真的能够满足要求还需要设计人员进一步验证；目前公开的专利结构有很多，但是一些特殊的一般，光学设计工作可以分为两个部分：一是系统就很难找到；此外，由于这种方法的出发点是要获得一个初始结构；二是根据获得的初始结构利他人的专利，所以其得出的光学系统很容易引起专用像差理论对其进行像差平衡，后者可被称为透镜优化.在计算机不发达的年代，透镜优化的工作需本文将光学系统的r~y图与粒子群优化算要花费大量的时间精力，但自从计算机科学得到迅法相结合，提出了一种新型的一阶结构计算方法，*国家科技重大专项（批准号：2009ZX02205-001)、国家国际科技合作专项（批准号：2011DFR10010)和上海市科技人才计划项目(批准号：14YF1406300)资助的课题.©20l5中国物理学会Chinese Physical Societyhttp://wulixb.iphy.ac.cn114201-1物理学报Acta Phys.Sin.Vol.64,No.11(2015)114201之后根据此方法设计出了手机摄像物镜系统与头线，它与CM的交点F即是此光学系统的像方焦盔显示器目镜系统.经过验证，本文所提出的方法点所在位置.同样，OF%平行于BC,点F%即是组可以弥补前述两种方法的不足，是一种简单有效且元C的像方焦点所在位置具有普遍适应性的方法，2.2光学系统一阶量的计算2利用ar-y图确定光学系统一阶光学系统中两点间距离可以由犰ary图中对结构应的两点来计算，例如，光学系统主面P与像方焦点F中的距离即光学系统的焦距可以由ar~y图2.1ybar-y图的原理中点P和点F来计算，具体表达式为Delano于1963年最早对ar-y图进行了较为(1)详尽的分析同.在此之后，Pegis等提出了几个关于系统的焦距f为矢量OF与OP的向量积再比上论进行了进一步完善[小；随后，Zhuang等利用此理系统的拉格朗日不变量L.组元间距离也是用同样论设计了几组镜头原型间；l988年，Harrigan等以的方法来计算，即犰ry图作为强有力的工具设计了一组梯度折射率柱状镜；Kessler等将此理论运用在激光光学系D,+1=(2)统的设计中，取得了不错的效果[0.关于ar~y图ar的应用目前己有不少，但是鲜有人将此理论应用在光学系统初始结构的计算上.第+1个组元的坐标2.3ybar-y图的控制点性质若系统是由N个组元组成的，第一个组元为C1,最后一个组元为CN,第i个组元为C,根据系统的基本设计参数，即焦距f,F数以及视场角2或者物高h,点J,M与S的位置很容易确定，如图2(a)所示.主点P的位置需要经过计算才能得出.如图2b)所示，主点P一定在线段JS上，它图1一幅典型的ar-y图对应的像方焦点记为F,给出另外一个主点P和Fig.1.A typical ar-y diagram其对应的焦点F.线段OFF平行于JS,根据(1)式可计算得出系统焦距'，根据向量积的几何意y分别指的是轴外最大视场主光线和第一近轴光线义，焦距f'只和线段OP与线段OF组成的三角形的面积大小正相关，从图2(b)中可以看出△OFP与光轴的垂直距离.计算出每一个光学组元上两的面积与△OFP不相等.由此可见，给定了一个条光线的ar和，然后以九ar大小为x轴坐标，y系统的焦距，主点P的位置是确定的.实际上，主大小为y轴坐标，将所有点以直线相连接，就得出点P的坐标数值表达式如下：了犰ary图.从图1中可以看出，此光学系统包含有三个组元A,B和C,因为需要计算的只是光学(3)系统的一阶结构，这里将各个组元都看作是理想组L(H3-HM)f'元，透镜看作是薄透镜.点J和M分别代表了物点HjHM(4)和像点处的（犰，）坐标，其他点的位置都可以通其中H,与HM分别指物高和像高，D指的是孔径过简单的几何关系得出.点P代表了系统主面所在光阑大小.可以看出P点坐标只与光学系统基本设位置，点S代表了孔径光阑的位置，S和S'分别描计参数有关.有了主点P的坐标，像方焦点F和物述了入瞳面和出瞳面的位置，过O点做JA的平行方焦点F的坐标也很容易就能确定了.114201-2