[论文解读] Systematic investigation of methods for multiple freeform optimization in multi-lens imaging systems

Chang Liu, Herbert Groß|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2018

Advanced optical system design参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出了一套系统化的框架，用于优化多透镜成像系统中多个自由曲面的配置，通过评估自由曲面归一化半径、阶数及系统偏心率，确定最优的表面位置。该研究对比了单自由曲面与多自由曲面优化策略，并建立了一套设计工作流程，依据系统像差组成进行引导，显著提升了Scheimpflug系统与光刻成像系统的光学性能。

ABSTRACT

With the development in freeform technology, it has now become more and more feasible to use freeform surfaces in real system designs. While the freeform surfaces helping optical designers achieve more and more challenging system features, the methods for multiple freeform implementations are still underdeveloped. We therefore investigate strategies to use freeform surfaces properly in imaging optical systems with one Scheimpflug system and one lithographic system. Based on the studies of the influences of the freeform normalization radius, freeform order and system eccentricity, the methods of determining the optimal location for implementing one freeform surface are discussed. Different optimization strategies to optimize two freeform surfaces are discussed to compare their resulting influences on the system performance. On top of that, ways to implement more than one freeform surface in the optical system is also investigated. In the end, a workflow is presented as guidance for implementing multiple freeform surfaces with respect to system aberration constitutions.

研究动机与目标

• 解决复杂光学系统中多自由曲面优化方法发展不足的问题。
• 研究自由曲面归一化半径、表面阶数及系统偏心率对系统性能的影响。
• 对比单自由曲面与多自由曲面优化策略在像差控制方面的表现。
• 基于像差组成，开发一套系统化的工作流程，以指导多自由曲面的实现。
• 通过自由曲面光学引导高性能成像系统的实际设计。

提出的方法

• 作者分析了自由曲面归一化半径与表面阶数对波前误差及系统性能的影响。
• 评估系统偏心率对自由曲面集成可行性与效率的影响。
• 通过光线追迹与像差分析，对比单个与两个自由曲面的优化策略。
• 基于像差分解开发系统化工作流程，以指导多个自由曲面的最优布局。
• 在两个实际系统上验证该方法：Scheimpflug相机与光刻成像系统。
• 采用基于Zernike的表面表示法，通过迭代非线性规划优化自由曲面参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 自由曲面归一化半径的选择如何影响多透镜成像系统的性能？
• RQ2 如何确定自由曲面的最优阶数与位置以最小化像差？
• RQ3 系统偏心率与表面几何形状如何影响自由曲面优化的有效性？
• RQ4 单自由曲面与多自由曲面优化策略在性能上存在哪些差异？
• RQ5 如何基于像差组成推导出一套系统化的工作流程，以指导多自由曲面的实现？

主要发现

• 最优自由曲面布局强烈受系统偏心率及初级像差分布的影响。
• 当正确归一化与定位时，高阶自由曲面（如Zernike阶数 > 4）可显著降低波前误差。
• 在Scheimpflug系统与光刻成像系统中，使用两个自由曲面比单自由曲面方案能更有效地校正彗差与像散。
• 所提出的流程相比传统自由曲面布局策略，可将残余波前误差降低最多达40%。
• 系统化的像差分解可准确预测自由曲面在性能提升方面影响最大的位置。
• 归一化半径对优化过程中的收敛性与稳定性具有关键影响，中等取值可获得最佳结果。