目录
第一章绪论 (1)
1.1.2 自由曲面离轴反射系统 (2)
1.1.3 透视式头盔显示器 (3)
1.1.4 复眼相机 (3)
帮忙节目1.2 自由曲面的描述方式 (4)
1.2.1 NURBS自由曲面 (4)
1.2.2 多项式自由曲面 (5)
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1.2.3 径向基函数自由曲面 (6)
1.3 变焦光学系统的发展 (7)
1.3.1 光学Zoom变焦系统的发展 (7)
1.3.2 光学Varifocal变焦系统的发展 (9)
1.4 本课题主要内容 (10)
第二章自由曲面变焦系统理论分析 (12)
2.1 变焦理论 (12)
2.1.1 Zoom变焦理论 (12)
2.1.2 Varifocal变焦理论 (14)
2.1.3 Varifocal变焦系统的主要像差分析 (14)
2.2.1 Wasserman-Wolf微分方程法 (19)
2.2.2 偏微分方程的方法 (20)
2.2.3 SMS方法 (21)
2.2.4 Multi-Fields Direct设计方法 (23)
2.3 视场非均匀网格化优化设计理论 (27)
2.3.1 视场非均匀网格化优化设计理论的提出 (27)
2.3.2 视场非均匀网格化优化设计理论方法 (30)
2.3.3 视场非均匀网格化优化设计流程图 (31)
2.4 本章小结 (31)
第三章单透镜自由曲面变焦系统设计 (32)
3.1 渐进多焦点眼镜介绍 (32)
3.1.1 渐进多焦点镜片特性 (32)
3.1.2 渐进多焦点镜片设计分类 (34)
3.2 老花眼介绍及其眼球模型建立 (35)
3.2.1 人类老花眼介绍 (35)
3.2.2 标准眼球模型 (36)
3.2.3 老花眼球模型建立 (38)
3.3 网格化优化设计 (39)
3.3.1 光学系统参数分析 (39)
3.3.2 视场网格化 (44)
3.3.3 系统优化和结果 (49)
3.3.4 系统分析和评价 (51)
3.4 本章小结 (54)
第四章多透镜自由曲面变焦系统设计 (55)
4.1 全景环带系统介绍 (55)
4.1.1 全景环带系统结构 (55)
4.1.2 全景环带系统成像原理 (57)
哇4.2 系统设计目标和参数分析 (57)
4.2.1 环带旋转变焦的提出 (57)
4.2.2 系统参数分析 (60)
4.3 网格化优化设计 (60)
4.3.1 初始结构 (60)
4.3.2 光阑的设置 (61)
4.3.3 视场网格化 (62)
4.3.4 系统优化 (63)
4.3.5 系统结果和分析 (65)
4.4 本章小结 (70)
第五章总结与展望 (71)
5.1 总结 (71)
5.2 展望 (72)
参考文献 (73)
攻读硕士学位期间公开发表的论文 (76)
致谢 (77)
自由曲面变焦成像系统的研究第一章绪论
第一章绪论
1.1自由曲面在成像光学中的发展和应用
早期，自由曲面光学元件主要应用于非成像光学系统，如照明光学系统中。如今几乎每一辆汽车的车灯都采用了自由曲面反射罩，使得车灯可以按照预设的照度分布照亮公路，不需要采用菲涅尔镜或者其他分段前透镜镜片了，用于照明应用的自由曲面精度并不高。随着光学元件制造技术和检测技术的进步，光学研究者开始将自由曲面应用到成像光学中。
传统的成像光学设计系统都是采用球面或者非球面的光学元件，因为球面和非球面的制造和检测相对容易些，在大多数的光学系统中，系统像差是通过一些数量的球面和非球面的组合来消除的。随着反射式望远镜的发明，非球面开始出现在成像光学系统中。起初一些光学仪器只使用圆锥曲线，例如牛顿望远镜使用抛物面，卡塞格林望远镜使用双曲面，还有格列高利望远镜使用椭球面。之后非球面开始增加非球面的级数来消除成像系统像差，比如施密特矫正板的设计，可以消除大视场的球差。
自由曲面在成像光学中的应用最早发现于一对阿尔瓦雷斯矫正透镜[1]，起初的思想是为了人类老花眼而设计的，两片自由曲面的横向移动产生不同光焦度可以满足人类对远处和近处物体的清晰观察。如今，光电器件朝着小型化，轻量化的方向发展，自由曲面高设计自由度和高空间灵活度的特点可以满足这些要求，所以自由曲面越来越多地应用于成像光学中。自由曲面的应用有短焦投影镜头、自由曲面离轴反射系统、透视式头戴显示系统和自由曲面微透镜阵列等。
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1.1.1短焦投影系统
短焦投影机具有很小的透射比，透射比是投影机离屏幕的距离与屏幕尺寸之比。早期的投影仪离屏幕的距离2-5米，需要的空间比较充足，而且当人在屏幕和投影仪之间走动时，会挡住投影成像。采用短焦投影成像系统，这样的问题就不复存在，短焦投影仪离屏幕的距离只需要几十公分就可以在屏幕上投影出很大的画面。有些短焦投影系统采用鱼眼镜头，但是广角鱼眼系统很容易存在畸变。因此，科学家开始研究自由曲面反射式投影机，如图1.1是日立HCP-A8投影机[2]，它采用了日立世界首创
第一章绪论自由曲面变焦成像系统的研究的自由曲面技术，其反射镜到屏幕的距离为47cm，投影出60in画面。其原理是投影机里的微显示器产生的图像经过非球面透镜、自由曲面透镜和自由曲面反射镜到达屏幕，自由曲面反射镜矫正了场曲像差。传统的投影仪是垂直屏幕入射投影，而HCP-A8通过自由曲面反射镜可以实现斜角度投影，并且毫无扭曲和畸变。
善林董事长自首图1.1 日立HCP-A8短焦投影机内部原理图
1.1.2自由曲面离轴反射系统
干旱区资源与环境
离轴反射系统广泛应用于望远镜、相机和红外（紫外）光学系统等，它具有重量轻、传播能量损失少，没有差和热稳定性好等优点。传统同轴反射系统具有中央遮拦区，限制住了系统的分辨率、能量和视场，离轴系统可以弥补同轴反射系统的这些缺点，但是离轴反射系统破坏了传统的旋转对称结构，所以像差特性改变了，比如轴上会出现三次彗差，球面和非球面很难矫正非对称的系统像差，系统视场和F数会受限制。因此光学专家们开始使用自由曲面来设计离轴反射系统[3]，如图1.2有三块自由曲面反射镜，矩形视场8°×9°，相对孔径F/#=1.49，波长是长波红外8-14μm，系统成像系统接近衍射极限。
图1.2自由曲面离轴反射系统图
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