Design strategy for imaging systems containing freeform surfaces

Liu, Chang GND

Motivations driven by the ever-growing system specifications, alongside the progress in optical manufacturing and metrology open widely the door for implementing freeform surfaces for imaging system performance enhancement. Meanwhile, new challenges regarding handling and analysis are posed for this surface type due to its lack of rotational symmetry. This thesis work focuses on the development of an appropriate aberration analysis tool, as well as implementation strategies of freeform surfaces in imaging systems. The Aldis theorem, which gives the surface contribution for one ray including all orders, is revisited as the foundation for freeform system analysis. With the original theorems limitations overcome, this new tool can serve as an alternative for the Seidel diagram, indicating the system sensitivity information for freeform systems. Furthermore, this thesis investigates the numerical approaches utilized for freeform implementation regarding freeform normalization radius, freeform order, optimization strategy, freeform interaction and early-stage manufacturability assessment for both one-freeform and two-freeform issues. As a consequence, the relation between the choice of the freeform location and system aberration constitutions is revealed with the assistance of the surface eccentricity parameter. A successive implementation strategy for freeform orders and freeform quantity is proposed in the form of a workflow. Diverse system examples are presented in the end as further validation of the findings.

Die immer stringenter werdenden Spezifikationen sowie die zunehmenden technologischen Entwicklungen in den Herstellungsprozessen erfordern bzw. ermöglichen die Implementierung von Freiformflächen in abbildenden optischen Systemen zur Verbesserung der Abbildungsqualität. Daraus stellen sich neue Herausforderungen hinsichtlich des Handlings und der Analyse dieses Flächentyps aufgrund seiner fehlenden Rotationssymmetrie. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf das Entwickeln eines geeigneten Werkzeuges zur Analyse von Aberrationen sowie von Implementierungsstrategien von Freiformen in optischen Systemen. Zur Analyse der Freiformsysteme wird Aldis Theorem, welches die Oberflächenbeiträge eines Strahls für sämtliche Ordnungen widergibt, betrachtet und weiterentwickelt. Dadurch dient es als Alternative zum Seidel-Diagramm zur Sensitivitätsanalyse eines Freiformsystems. Darüber hinaus werden numerische Methoden zur Freiformimplementierung mit Hinblick auf den Freiformnormradius, die Freiformordnung, Optimierungsstrategien, Freiformwechselwirkungen und die Herstellbarkeitsbeurteilung für Systeme mit einer und zwei Freiformen untersucht. Daraus folgend ergibt sich eine Beziehung zwischen der optimalen Freiformposition und den Aberrationsbeiträgen. Diese Beziehung wird mit Hilfe des Flächen-Exzentrizitätsparameters analysiert. Eine schrittweise Implementierungsstrategie der Freiformen in Form eines Workflows wird vorgeschlagen. Diverse Systembeispiele zur weiteren Untermauerung der gewonnenen Erkenntnisse werden präsentiert.

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Liu, Chang: Design strategy for imaging systems containing freeform surfaces. Jena 2019.

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