[發(fā)明專利]結(jié)合面形和視場(chǎng)優(yōu)化策略的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710528468.1
• 申請(qǐng)日: 2017-07-01
• 公開（公告）號(hào): CN107219626B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁群;姚艷霞;高志山;陳露;竇沂蒙;殷慧敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00;G02B17/06
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發(fā)明公開了一種結(jié)合面形和視場(chǎng)優(yōu)化策略的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法。該方法以表征光學(xué)系統(tǒng)波像差的Zernike標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù)為評(píng)價(jià)依據(jù)，采用面形優(yōu)化與視場(chǎng)優(yōu)化相結(jié)合的逐步逼近策略開展優(yōu)化過程，步驟如下：首先選取初始小視場(chǎng)，根據(jù)建立的XY多項(xiàng)式和多項(xiàng)式關(guān)系模型，每一步優(yōu)化有針對(duì)性的找出系統(tǒng)像差最大項(xiàng)，選取自由曲面面形中相應(yīng)XY多項(xiàng)式項(xiàng)作為新增變量對(duì)像差進(jìn)行優(yōu)化平衡，同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)視場(chǎng)的波像差rms值同步調(diào)整各視場(chǎng)的權(quán)重；在小視場(chǎng)范圍內(nèi)優(yōu)化獲取滿足性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)后，逐步拓展視場(chǎng)，重復(fù)上述優(yōu)化步驟，直至獲取全視場(chǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明具有視場(chǎng)大，優(yōu)化速度快，有像差針對(duì)性和指導(dǎo)性的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合面形和視場(chǎng)優(yōu)化策略的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

自由曲面離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法廣泛用于設(shè)計(jì)含有自由曲面的離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)。近年來，自由曲面離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。為了實(shí)現(xiàn)具有大口徑和大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)，一些自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法被提出，比如朱鈞等，在《Design method of freeform off-axis reflective imaging systems with adirect construction process》一文中提出的自由曲面離軸反射式成像系統(tǒng)直接設(shè)計(jì)方法，以及孟慶宇等在《Off-axis three-mirror freeform telescope with a largelinear field of view based on an integration mirror》一文中提出的利用自由曲面各項(xiàng)與像差的校正關(guān)系，利用XY多項(xiàng)式校正系統(tǒng)像差，這些方法均可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)大口徑的離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。自由曲面離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是一個(gè)通過優(yōu)化變量得到滿足要求的系統(tǒng)的方法，常軍等在《用于空間的三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》一文中，將離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法成功應(yīng)用于空間相機(jī)的設(shè)計(jì)加工。

自由曲面離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是通過求解同軸反射式系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，然后在同軸初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行離軸化處理。得到離軸化處理后的光學(xué)系統(tǒng)的自由曲面采用多項(xiàng)式表征，然后對(duì)自由曲面增加優(yōu)化變量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿足技術(shù)指標(biāo)的離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)。由于自由曲面存在描述方法不夠完善，可供借鑒的實(shí)例較少，像質(zhì)平衡難度大以及邊界條件控制復(fù)雜等問題，自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化難度較大。自由曲面離軸系統(tǒng)的視場(chǎng)的采樣數(shù)多，光線追跡數(shù)量較多，耗時(shí)長(zhǎng)，光學(xué)系統(tǒng)平衡像差復(fù)雜，優(yōu)化難度也隨之變大。

為了更好的表征自由曲面，研究人員提出了Zernike多項(xiàng)式、XY多項(xiàng)式、高斯徑向基函數(shù)以及非均勻有理B樣條等方法對(duì)自由曲面面形進(jìn)行表征。這些方法可以得到正確的表征形式，但是需要大量的計(jì)算。為了同時(shí)降低優(yōu)化難度和提高優(yōu)化效率，張新等在《基于矢量像差的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)像差特性研究》一文中，提出了基于矢量像差的自由曲面設(shè)計(jì)方法。通過矢量像差分析，可以分析光學(xué)系統(tǒng)的像差特性。該方法主要是分析像差特性，但是在優(yōu)化過程中，對(duì)像差的校正缺乏針對(duì)性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)合面形和視場(chǎng)優(yōu)化策略的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法，有針對(duì)性的校正含有自由曲面的離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)像差，提高光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的效率。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種結(jié)合面形和視場(chǎng)優(yōu)化策略的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法，方法步驟如下：

步驟1、建立離軸三反初始結(jié)構(gòu)：

參考離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)例，選取一個(gè)同軸三反光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)；

步驟2、對(duì)離軸三反初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)限制：

在同軸反射式光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行離軸化處理，利用編寫好的對(duì)應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的限制光線遮擋的宏語(yǔ)言，在評(píng)價(jià)函數(shù)中加以調(diào)用，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，得到離軸系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)和初始視場(chǎng)；