含有自由曲面的通用光学系统像差场理论

本文利用节点像差理论框架来描述包含自由曲面光学元件的光学系统中出现的像差场行为，特别是位于光学系统任意位置的 φ-多项式曲面（包括 Zernike 多项式曲面）。如果自由曲面位于光阑或光瞳处，则自由曲面的净像差贡献是视场恒定的。随着自由曲面光学元件在纵向上远离光学系统的光阑或光瞳，净像差贡献会变为视场相关的。研究证明，在描述引入自由曲面光学元件所产生的像差场时，并没有产生新的像差类型。值得注意的是，研究表明光学系统中引入自由曲面所产生的像差场与节点像差理论针对倾斜和偏心光学系统所描述的像差场完全一致。本研究的关键贡献在于确立了每个自由曲面项的视场依赖性和节点行为，这是将其有效应用于光学系统设计的关键知识。借助这一进展，在包含自由曲面的光学系统优化过程中，可以预先确定并针对分布在整个视场中的各类像差节点，以实现像差的校正或控制。本项工作对光学系统没有任何对称性限制，使其可以封装在完全三维的几何构型中，而无需折叠反射镜。