[發(fā)明專利]一種基于高斯徑向基函數(shù)曲面的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110365947.2
• 申請(qǐng)日: 2021-04-06
• 公開（公告）號(hào): CN113126289B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊通;倪俊豪;程德文;王涌天
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00;G06K9/62;G06V10/764
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 代麗

本發(fā)明公開了一種基于高斯徑向基函數(shù)曲面的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明以視場(chǎng)比需求值小的光學(xué)系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，然后逐步增大視場(chǎng)，基于“視場(chǎng)擴(kuò)展，高斯延拓”的思路，新的高斯函數(shù)隨著視場(chǎng)的擴(kuò)展依次添加到曲面邊緣，逐步擴(kuò)展曲面尺寸，通過漸進(jìn)式優(yōu)化得到最終滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的成像系統(tǒng)。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，特別適用于大視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本發(fā)明為實(shí)際成像系統(tǒng)運(yùn)用高斯徑向基函數(shù)曲面提供便利，且方便簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)，對(duì)于各種應(yīng)用、各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自由曲面成像系統(tǒng)，都可以用此方法，從一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)為起點(diǎn)，逐步完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于高斯徑向基函數(shù)曲面的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

自由曲面相對(duì)于傳統(tǒng)的球面或非球面可為光學(xué)設(shè)計(jì)提供更多的自由度，進(jìn)而可以大大提升系統(tǒng)成像質(zhì)量，并可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更靈活、元件數(shù)量更少、體積更小、質(zhì)量更輕。因此，自由曲面被認(rèn)為是光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一次革命性的發(fā)展。基于高斯函數(shù)構(gòu)成的曲面是一類自由曲面，其在光學(xué)設(shè)計(jì)中具有一些優(yōu)良特性。首先，高斯函數(shù)是光滑且連續(xù)的，具有任意階導(dǎo)數(shù)。這個(gè)特性有利于光線追跡。其次，高斯函數(shù)的傅里葉變換是其本身，這在功率譜密度函數(shù)的計(jì)算中具有重要意義。第三，高斯函數(shù)具有局部性。在距離中心位置三倍標(biāo)準(zhǔn)差以外的高斯函數(shù)的函數(shù)值非常小，可以近似為零，從而使單個(gè)高斯函數(shù)僅在有限區(qū)域內(nèi)有函數(shù)值，表現(xiàn)出局部性。這一特性使得高斯函數(shù)在光學(xué)設(shè)計(jì)中有利于實(shí)現(xiàn)局部面形控制。然而，現(xiàn)有的使用高斯函數(shù)進(jìn)行成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法較少，大多是在已有系統(tǒng)基礎(chǔ)上依靠曲面擬合后直接進(jìn)行優(yōu)化，且并未涉及到高斯函數(shù)數(shù)量的增減，系統(tǒng)參數(shù)并未改變，并未充分利用到高斯函數(shù)的局部性質(zhì)，不適用于從系統(tǒng)參數(shù)較低的系統(tǒng)為起點(diǎn)開展系統(tǒng)參數(shù)較高(如大視場(chǎng))的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于高斯徑向基函數(shù)曲面的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，新的高斯函數(shù)隨著視場(chǎng)的擴(kuò)展依次添加到曲面邊緣，逐步擴(kuò)展曲面尺寸，為將高斯徑向基函數(shù)曲面應(yīng)用于自由曲面成像系統(tǒng)，尤其是大視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種有效、簡(jiǎn)便的方式。

本發(fā)明的基于高斯徑向基函數(shù)曲面的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1，設(shè)計(jì)或直接采用現(xiàn)有的與目標(biāo)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)接近或類似的成像系統(tǒng)，作為初始結(jié)構(gòu)；

步驟2，對(duì)步驟1獲得的成像系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理，使其滿足一部分目標(biāo)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)；

步驟3，將預(yù)處理后的成像系統(tǒng)的曲面類型轉(zhuǎn)換成高斯徑向基函數(shù)曲面，高斯徑向基函數(shù)的行數(shù)、列數(shù)、高斯間距以及標(biāo)準(zhǔn)差根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，得到新的成像系統(tǒng)；

步驟4，對(duì)當(dāng)前成像系統(tǒng)進(jìn)行成像質(zhì)量評(píng)價(jià)，并基于成像質(zhì)量進(jìn)行成像系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化；

步驟5，對(duì)步驟4優(yōu)化后的成像系統(tǒng)，判斷其視場(chǎng)角是否達(dá)到要求，若達(dá)到要求，則完成成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)前成像系統(tǒng)即為所求；若未達(dá)到要求，則在高斯徑向基函數(shù)曲面邊緣增加高斯徑向基函數(shù)，并進(jìn)行高斯延拓判據(jù)I判斷，即判斷曲面是否滿足|l_fg-l_mr|A，若不滿足，則繼續(xù)在曲面邊緣增加高斯徑向基函數(shù)，直到滿足高斯延拓判據(jù)I，然后返回步驟4；其中，l_fg為當(dāng)前最遠(yuǎn)高斯徑向基函數(shù)與子午線或弧矢線之間的距離，l_mr為邊緣視場(chǎng)的邊緣光線沿著視場(chǎng)擴(kuò)展方向在XOY面上的投影坐標(biāo)和中心視場(chǎng)主光線沿著視場(chǎng)擴(kuò)展方向在XOY面上的投影坐標(biāo)之差的絕對(duì)值，A為設(shè)定的閾值。

較優(yōu)的，所述步驟2中，預(yù)處理包括：對(duì)步驟1獲得的成像系統(tǒng)進(jìn)行縮放、將某個(gè)曲面設(shè)為光闌面、將某方向視場(chǎng)角調(diào)整為與目標(biāo)視場(chǎng)角一致。

較優(yōu)的，所述步驟4中，將各鏡面的偏心和傾斜、基底球面半徑和二次曲面系數(shù)、各曲面的高斯徑向基函數(shù)權(quán)重系數(shù)或多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)為變量參與優(yōu)化。

較優(yōu)的，所述閾值A(chǔ)取0.5σ，所述σ為高斯徑向基函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。