一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法技术方案

本发明专利技术公开的一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，属于反射变焦光学技术领域。本发明专利技术利用初始定焦反射结构波像差Zernike系数和特征视场像高差构建用于反射变焦系统优化的评价函数，基于泰勒展开将含微扰时的光学系统等效为线性光学系统，利用光线追迹数据和微扰对于波像差影响的线性光学模型各重结构中微扰对成像质量、焦距的影响进行量化评估；在设定焦距逼近步长的基础上，构建各重结构的像质约束矩阵及主光线位置约束矩阵；以波像差和像高差为优化目标，基于像质约束矩阵及主光线位置约束矩阵进行参数优化求解，优化后得到的最优反射变焦系统。本发明专利技术具有优化速度快、收敛性强、畸变小、成像质量好的优点。优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法


[0001]本专利技术涉及一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，属于反射变焦光学


技术介绍

[0002]离轴反射光学系统具有轻重量、高透过率、宽光谱范围、无遮拦及无色差等优点，因而光学成像领域对其需求日益增大。得益于此，离轴反射系统相关优化方法被不断提出。
[0003]如Zhong和Gross于2017年提出了一种基于高斯括号和节点像差理论的非旋转对称光学系统优化方法，利用该方法可直接获得球面无遮拦初始结构。在该方法中，系统初级像差使用非线性方程优化工具进行修正。同时，该方法还对光阑位置进行考虑以实现系统无遮拦。
[0004]又如2019年，Cao等人提出了消除球差及非球面像差的二次曲面离轴全反射光学系统优化方法。在该方法中，基于节点像差理论，利用遗传算法在全局进行具有最小像差初始结构的寻找。
[0005]又如2022年，Zheng等人提出了基于节点像差及赛德尔像差理论的离轴反射光学系统初始结构自动优化方法。该方法利用节点像差及赛德尔像差建立像质评价函数，并使用全局模拟退火算法进行求解。
[0006]现有方法基本都着重于求解成像质量较好，结构较为简单的离轴反射光学系统，所得系统均为定焦系统，无法针对不同的应用场景，在保证成像质量的前提下通过反射镜间的相对位置变动实现变焦。

技术实现思路

[0007]为解决离轴反射系统变焦优化的相关问题，本专利技术的主要目的是提供一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，针对待优化为反射变焦系统的定焦反射结构，利用初始定焦反射结构波像差Zernike系数和特征视场像高差构建用于反射变焦系统优化的评价函数，基于一阶泰勒展开将含微扰时的光学系统等效为线性光学系统，利用光线追迹数据和微扰对于波像差影响的线性光学模型对反射变焦系统各重结构中微扰对成像质量、焦距的影响进行量化评估；同时，为保证反射变焦系统的线性性，在设定焦距逼近步长的基础上，构建各重结构的像质约束矩阵及主光线位置约束矩阵；以反射变焦系统各重结构的波像差和像高差为优化目标，基于像质约束矩阵及主光线位置约束矩阵进行反射变焦系统结构参数优化求解；经过多次循环迭代，待优化的定焦反射结构焦距将不断趋近所需反射变焦系统的焦距，优化后得到的最优反射变焦系统，能够仅依赖光学面型偏心、倾斜和间距配合实现变焦。本专利技术具有优化速度快、收敛性强、畸变小、成像质量好的优点。
[0008]为达到以上目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0009]本专利技术公开的一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一：输入待优化为反射变焦系统的定焦反射结构。
[0011]所述待优化为反射变焦系统的定焦反射结构为已经完成初步优化的定焦离轴反射光学系统，该定焦离轴反射光学系统的视场覆盖范围需不小于反射变焦系统的最大视场覆盖范围。所述定焦离轴反射光学系统含有至少2个反射镜和孔径光阑。
[0012]步骤二：对初始定焦反射结构进行光线追迹获取光线数据。
[0013]在步骤一输入待优化为反射变焦系统的定焦反射结构后，对定焦反射结构的视场进行中心视场归一化，并对感兴趣的视场FOV
(a，b)
中的光束簇Ф(FOV
(a，b)
)进行光线追迹，其中，下标(a，b)表示归一化视场坐标。光线追迹过程中，记录光束簇在光学系统各个表面上入射点的单位法向量入射角I，在像面上的光线单位方向向量并求视场FOV
(a，b)
的波像差OPD
(a，b)
。
[0014]步骤三：在初始定焦反射结构中加入扰动获取主光线变动数据。
[0015]对初始定焦反射结构中每个反射面的结构参数逐次加入微扰，并记录每个反射面每种微扰引起的各个视场FOV
(a，b)
主光线在像面上的位置变化情况Δx
im
和Δy
im
。除了感兴趣的视场，还需求解微扰对(0，0)、(
±
1，0)和(0，
±
1)视场主光线位置变化影响的变化率。
[0016]步骤四：基于一阶泰勒展开将含微扰时的光学系统等效为线性光学系统，利用步骤二获取的光线数据及步骤三获取的主光线变动数据计算定焦反射结构的波像差变化率。
[0017]微扰对定焦反射结构光线的光程影响为：
[0018][0019]其中，(X，Y)表示光线在归一化入瞳上的位置，(0，0)则表示主光线，表征光学表面因微扰产生的对应变化，表征参考球因微扰产生的圆心位置变化，ΔR表征参考球因微扰产生的半径变化。
[0020]又由于波像差是光线相对于主光线的光程差，因此得反射变焦系统在光学面型状态发生改变时，波像差变化ΔOPD为：
[0021][0022]其中，λ为光线波长。
[0023]基于一阶泰勒展开将含微扰时的光学系统等效为线性光学系统，若引起ΔOPD(X，Y)的微扰大小为ΔT，则微扰引起的波像差变化率为：
[0024][0025]步骤五：根据反射变焦系统所需焦距计算反射变焦系统各重结构对应像高差，利
用像高差构建评价函数。
[0026]将反射变焦系统等效为线性系统处理时，反射变焦系统畸变被忽略，因而焦距、视场差及像高差ΔH之间满足：
[0027]ΔH＝f
×
[tan(FOV+ΔFOV)
‑
tan(FOV)]ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0028]因此，基于所需要的焦距，利用(0，0)、(
±
1，0)和(0，
±
1)视场之间的视场角差，即可确定(
±
1，0)和(0，
±
1)视场相对于(0，0)视场的像高差。根据像高差则可确定，为获得所需焦距，需要控制(
±
1，0)和(0，
±
1)视场主光线朝(0，0)视场主光线的移动量。利用公式(4)得到的像高差即为优化过程所用的其中一个评价函数。
[0029]步骤六：根据步骤五得到的反射变焦系统各重结构对应像高差，设定焦距逼近步长保证反射变焦系统的线性性。
[0030]当在反射变焦系统中加入扰动过大时，反射变焦系统将失去线性性。因此，根据公式(4)得到的反射变焦系统各重结构对应像高差，设定焦距逼近步长保证反射变焦系统的线性性。
[0031]步骤七：利用根据步骤四得到的定焦反射结构波像差变化率，步骤三得到的主光线变动数据和步骤五得到的反射变焦系统各重结构对应像高差构建像质约束矩阵及主光线位置约束矩阵。利用初始定焦反射结构波像差Zernike系数构建用于反射变焦系统优化的另一评价函数。
[0032]对于反射变焦系统的波像差，反射变焦系统结构参数与波像差的对应关系表述为：
[0033][0034]其中，OPD为系统初始波像差，OPD
′
为加入扰动后的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：输入待优化为反射变焦系统的定焦反射结构；步骤二：对初始定焦反射结构进行光线追迹获取光线数据；步骤三：在初始定焦反射结构中加入扰动获取主光线变动数据；步骤四：基于一阶泰勒展开将含微扰时的光学系统等效为线性光学系统，利用步骤二获取的光线数据及步骤三获取的主光线变动数据计算定焦反射结构的波像差变化率；步骤五：根据反射变焦系统所需焦距计算反射变焦系统各重结构对应像高差，利用像高差构建评价函数；步骤六：根据步骤五得到的反射变焦系统各重结构对应像高差，设定焦距逼近步长保证反射变焦系统的线性性；步骤七：利用根据步骤四得到的定焦反射结构波像差变化率,步骤三得到的主光线变动数据和步骤五得到的反射变焦系统各重结构对应像高差构建像质约束矩阵及主光线位置约束矩阵；利用初始定焦反射结构波像差Zernike系数构建用于反射变焦系统优化的另一评价函数；步骤八：在步骤七构建的约束矩阵中，以反射变焦系统各重结构的波像差和像高差为优化目标，基于像质约束矩阵及主光线位置约束矩阵进行结构参数优化求解；步骤九：重复步骤二、三、四、七、八，经过多次循环迭代，待优化的定焦反射结构焦距将不断趋近所需反射变焦系统的焦距，优化后得到的最优反射变焦系统。2.如权利要求1所述的一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，其特征在于：所述待优化为反射变焦系统的定焦反射结构为已经完成初步优化的定焦离轴反射光学系统，该定焦离轴反射光学系统的视场覆盖范围需不小于反射变焦系统的最大视场覆盖范围；所述定焦离轴反射光学系统含有至少2个反射镜和孔径光阑。3.如权利要求2所述的一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，其特征在于：步骤二中，在步骤一输入待优化为反射变焦系统的定焦反射结构后，对定焦反射结构的视场进行中心视场归一化，并对感兴趣的视场FOV
(a,b)
中的光束簇Φ(FOV
(a,b)
)进行光线追迹，其中，下标(a,b)表示归一化视场坐标；光线追迹过程中，记录光束簇在光学系统各个表面上入射点的单位法向量入射角I，在像面上的光线单位方向向量并求视场FOV
(a,b)
的波像差OPD
(a,b)
。4.如权利要求3所述的一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，其特征在于：步骤三中，对初始定焦反射结构中每个反射面的结构参数逐次加入微扰，并记录每个反射面每种微扰引起的各个视场FOV
(a,b)
主光线在像面上的位置变化情况Δx
im
和Δy
im
；除了感兴趣的视场，还需求解微扰对(0,0)、(
±
1,0)和(0，
±
1)视场主光线位置变化影响的变化率。5.如权利要求4所述的一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，其特征在于：步骤四中，微扰对定焦反射结构光线的光程影响为：
其中，(X,Y)表示光线在归一化入瞳上的位置，(0,0)则表示主光线，表征光学表面因微扰产生的对应变化，表征参考球因微扰产生的圆心位置变化，ΔR表征参考球因微扰产生的半径变化；又由于波像差是光线相对于主光线的光程差，因此得反射变焦系统在光学面型状态发生改变时，波像差变化ΔOPD为：其中，λ为光线波长；基于一阶泰勒展开将含微扰时的光学系统等效为线性光学系统，若引起ΔOPD(X,Y)的微扰大小为ΔT，则微扰引起的波像差变化率为：6.如权利要求5所述的一种基于波像差控制与焦距逼近的反射变焦系统优化方法，其特征在于：步骤五中，将反射变焦系统等效为线性系统处理时，反射变焦系统畸变被忽略，因而焦距、视场差及像高差ΔH之间满足：ΔH...

【专利技术属性】
技术研发人员：常军，纪钟晔，曹佳静，李轶庭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：