馬冬林課題組在“自由曲面光學與光學設計”領域取得系列進展

作者: 时间:2019-09-12 点击数:

華中科技大學現代應用與天文光學實驗室長期致力于自由曲面光學設計、加工與檢測以及其他先進光學系統開發等領域的前沿技術研究。圍繞這些傳統光學工程的前沿技術領域,本課題組在自由曲面光學設計算法的開發、自由曲面光學的幹涉檢測以及複雜變焦系統的設計等方面取得了系列進展。

(1)自由曲面光學在增強現實技術的應用——車載擡頭顯示系統

AR、VR技术已经广泛地应用到了汽车驾驶、军事、教育培训、电子游戏、工业生产以及医疗诊断等国民生活中各个领域。而在汽车辅助驾驶领域,AR技术最为典型的应用范例之一则是车载抬头显示系统。抬头显示系统(Head up display, HUD),也叫做平视显示系统。车载抬头显示系统可以将行车的重要信息如行驶速度、导航信息等通过显示系统投射到挡风玻璃上,再通过挡风玻璃反射给驾驶员,从而避免驾驶员在行车过程中频繁低头看仪表盘、导航仪或者车载屏幕等过程中造成的视野盲区。一般说来,仪表盘的形状、信息显示亮度、仪表颜色、显示内容理解难易程度、驾驶员心理、生理等因素都会对驾驶员的视认时间产生影响。对于抬头显示系统,需要驾驶员眼球在一定区域范围内移动时均能观察到清晰的虚像,同时高像质和紧凑的光学结构也是抬头显示光学系统的设计要求。

針對以上問題,光電學院馬冬林老師團隊提出一種用于HUD的自由曲面離軸三反設計結構,該結構使用自由曲面反射鏡矯正像差,平面反射鏡折疊光路,同時自由曲面反射鏡、平面反射鏡與圖像源位于同一水平平面上使光學結構緊湊、易于裝調。自由曲面由于其極高的設計自由度可以在保證系統成像質量的同時保持光學系統的緊湊與輕量。該光學系統實現了80mm×40mm超大光瞳範圍內清晰成像。

该成果相关论文已发表于OSA期刊Applied Optics上。硕士研究生魏诗力为第一作者,马冬林老师为通讯作者。

ShiLi Wei, ZiChao Fan, ZhengBo Zhu, and DongLin Ma*, "Design of a head-up display based on freeform reflective systems for automotive applications," Appl. Opt. 58, 1675-1681 (2019)

(2)自由曲面光學與固態照明——用于離軸道路照明的自由曲面折反式透鏡設計

LED采用固體半導體芯片爲發光材料,與傳統燈具相比,LED燈具有節能、環保、顯色性與響應速度好等特點。20世紀90年代LED技術的長足進步,不僅是發光效率超過了白熾燈,光強達到了燭光級,而且顔色也從紅色到藍色覆蓋了整個可見光譜範圍,這種從指示燈水平到超過通用光源水平的技術革命導致各種新的應用,諸如汽車信號燈、交通信號燈、室外全色大型顯示屏以及特殊的照明光源。

然而,LED燈發光強度通常爲朗伯分布,無法適配實際應用場景需要。因此,通常采用自由曲面透鏡來對光源進行二次配光。在道路照明應用中,我們需要光源在目標面上呈現一個均勻的離軸矩形照明圖案,以適配實際道路形狀和應用需求。

爲此,光電學院馬冬林老師團隊提出了一種多表面折反式自由曲面透鏡結構對LED光源二次配光,采用最優質量傳輸建立複合光線映射關系,分別控制折射部分與反射部分的光強分布,並使用遺傳算法優化照明均勻度與照明效率。最終設計能夠實現較爲精確的照度控制和較高的能量利用率,實現了超高效的離軸道路照明應用。

该成果相关论文已发表于OSA期刊Optics Express上,硕士研究生魏诗力、博士研究生朱正波为共同第一作者,马冬林老师为通讯作者。

ShiLi Wei#, ZhengBo Zhu#, ZiChao Fan, YiMing Yan, and DongLin Ma*, "Multi-surface catadioptric freeform lens design for ultra-efficient off-axis road illumination," Opt. Express 27, A779-A789 (2019)

(3)自由曲面光學光束整形技術——基于可積性光線映射的光束整形自由曲面設計

光束整形是對一束光的輻照度和相位進行重新分配和調制的過程,該技術被大量應用于材料加工、激光焊接、光存儲、生物醫療以及國防軍事等領域。滿足幾何光學適用條件時,該技術可以通過兩面精巧設計的自由曲面來實現能量分布和波前的同時控制。

光電學院馬冬林老師團隊提出了一種用于照度和波前同時控制的雙自由曲面設計算法,該方法將自由曲面構造耦合到光線映射的計算過程中。使用最優質量傳輸映射作爲初始映射,使用實時計算的自由曲面構造假想的哈密頓函數,通過辛變換旋轉目標面能量網格逼近自由曲面法矢量可積性條件。

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該方法能夠對入射光束輻照度分布和波前進行精確控制,實現不同邊界形狀的均勻光斑以及複雜分布的光斑,同時控制出射光的波前分布。而解決這些複雜設計問題的傳統方法通常是將其轉化爲非線性橢圓形蒙日-安培方程,或使用分段二次曲面。相較于傳統方法,該成果所提出的算法極大的簡化了理論計算的難度,且快速簡便易于實施,同時能夠解決複雜的光束整形問題。

该成果相关论文已被OSA期刊Optics Express接收,硕士研究生魏诗力为第一作者,马冬林老师为通讯作者。

ShiLi Wei, ZhengBo Zhu, ZiChao Fan, YiMing Yan, and DongLin Ma, "Double freeform surfaces design for beam shaping with non-planar wavefront using an integrable ray mapping method," Opt. Express 27, 26757-26771 (2019)

(4)雙遠心變焦系統的初始結構的自動化設計

傳統的變焦系統是基于光學系統中具有共轭關系的物像平面在變焦過程中保持穩定進行設計的,但是在一些應用場景中需要光學系統的焦平面在變焦過程中保持穩定,已經成熟的變焦系統設計的理論不再適用。這種特殊的變焦光學系統是雙遠心變焦系統的核心,在精密測量和機器視覺領域具有重要應用。在變焦系統的設計中,一階設計往往是光學系統設計的難點,性能優秀的光學系統往往從一個好的優化的起始點得到。在目前的光學設計過程中,設計往往建立在已有設計的基礎上或是以專利庫中設計作爲起始點進行的,但對于這種特殊的變焦光學系統,目前很少有可參考的已有的設計。因此,設計雙遠心變焦系統只能從探索如何才能找到光學設計的最佳起始點出發。

爲了解決這一問題,光電信息學院碩士研究生範子超在副研究員馬冬林的指導下,基于粒子群算法完成了自動化的設計工作。首先在幾何光學的框架下,對這種特殊的變焦系統的近軸特性進行了推導,得到了三組元變焦系統機械補償的軸向位移曲線方程。然後,我們基于粒子群算法理論的全局優化算法對設計工作建立了數學模型,並且以光學系統中的評價函數作爲種群的適應度對系統進行評價,變焦系統的設計問題轉化爲在特定搜索空間中尋找最優解的問題。

根据变焦系统的特点,我们对粒子群算法进行了修正,对修正后的粒子群算法的特性进行了验证,并且和蒙特卡洛方法进行了对比,结果显示提出的方法具有稳定性和高效性。同时,我们在文中给出了一阶设计实例,分析了该系统的光学特性。为了进一步证明了该方法的有效性,我们对一阶设计结果进行了后续的优化,并且给出了实际透镜的设计结果和性能分析。实验结果表明,尽管粒子群算法的概念简单,但是该方法是一种非常具有应用前景的工具,在设计复杂的光学系统时可以自动化地检索最佳的起始点,这也是未来实现自动化的光学设计的重要一步。日前,该工作已发表在Applied Optics。

文章名:Zichao Fan, Shili Wei, Zhengbo Zhu, Yan Mo, Yiming Yan, and Donglin Ma, "Automatically retrieving an initial design of a double-sided telecentric zoom lens based on a particle swarm optimization," Appl. Opt. 58, 7379-7386 (2019)

(5)大口徑同軸非球面反射鏡面形幹涉測量方法研究

隨著大口徑光學系統在空間光學,天文光學,地基空間目標探測等領域越來越廣泛的應用,大口徑光學元件作爲該系統的核心組成部件,需要與其相適應的加工與檢測方法。同時其制造技術水平對一個國家的國防安全,國民經濟建設,基礎科研能力和防災減災具有重要意義,也是衡量一個國家高性能光學系統研制水平的重要標志。

目前,光學元件的高精度檢測基本都是基于幹涉檢測完成的。然而對于大口徑光學元件,特別是大口徑光學平面與凸面鏡,由于幹涉儀口徑的限制,不能依靠單次檢測而得到被測元件的全口徑面形結果。爲了解決這一問題,光電信息學院馬冬林及闫力松,分別基于拼接算法對旋轉對稱非球面反射鏡完成了全口徑拼接檢測,基于混合補償方法對離軸凸非球面完成了全口徑幹涉測量。

对于同轴非球面反射镜,由于其镜面具有旋转对称特性,通过调节干涉仪与镜面顶点距离,同时利用环形子孔径可以实现非球面反射镜每一个环带的面形干涉测量,通过实验室自行开发的环形拼接测量方法,实现带测量镜面的全口径面形拼接测量。日前,该工作已经被光学期刊Applied Optics发表。闫力松为第一作者,马冬林是通讯作者。

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(文章名:Lisong Yan, Deyan Zhu, Xiaokun Wang, Ming Li, Xuefeng Zeng, and Donglin Ma*, "Measurement of rotationally symmetric aspherical surfaces with the annular subaperture stitching method," Appl. Opt.58, 7073-7079 (2019))

(6)大口徑離軸凸非球面反射鏡面形的幹涉測量方法研究

对于大口径离轴凸非球面反射镜,由于其镜面与最接近球面偏离量大,若采用拼接测量方式会导致测量口径过多,测量难度大、时间长、精度低。为此本课题组提出一种混合补偿测量方式,利用计算全息元件与大口径球面反射镜相结合的方式实现待测镜面的全口径测量。日前,该工作已经被光学期刊Optics Express接收。闫力松为第一作者,马冬林为通讯作者。

(文章名:Lisong Yan, Deyan Zhu, Xuefeng Zeng, Ming Li, Xiaokun Wang, and Donglin Ma*, “Experimental study on hybrid compensation testing of an off-axis convex ellipsoid surface”,Accepted by Optics Express.)

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