一种自由曲面光学系统的设计方法技术方案

本发明专利技术涉及光学设计技术领域，尤其涉及一种自由曲面光学系统的设计方法，设计方法包括对光学系统中的单个自由曲面进行优化设计，包括步骤：S1、在光学系统中设定一系列离散的采样视场和波长，按理想物象关系确定每个采样视场和波长组合对应的像点坐标；S2、确定前后波前面，获得波前面表达式；S3、确定参考光线；S4、选择接受面和入射光线面，求解对应的待优化的自由曲面上的特征点坐标和法线信息；S5、针对特征点坐标进行面型拟合，实现对待优化的自由曲面的优化设计；本发明专利技术所提供的自由曲面光学系统的设计方法，不依赖设计人员设计经验，整个设计过程更为自动化和智能化；且对于折射、反射、衍射或混合光学系统都能适用。衍射或混合光学系统都能适用。衍射或混合光学系统都能适用。

【技术实现步骤摘要】
一种自由曲面光学系统的设计方法


[0001]本专利技术涉及光学设计
，尤其涉及一种自由曲面光学系统的设计方法，能够执行该方法的计算机设备以及计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]自由曲面是一种具有非旋转对称特性的复杂曲面，通常可表示为在回转对称面(球面、椭球面、双曲线面或抛物面等形式)的基础上添加额外的修正多项式表示。由于自由曲面丰富的设计自由度，在应用于光学系统设计中能够更为方便地对系统各类像差进行优化，从而实现高光学性能系统设计，在深空探测、显微分辨、光谱分析等领域有着广泛的应用。
[0003]传统设计方法需要构建一个精巧的系统像差模型，再针对这个像差模型匹配合适的优化算法进行优化设计，整个设计过程需要设计人员重复“设计
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分析
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调整”过程，耗时耗力；同时用于自由曲面丰富的设计自由度使得精密像差模型的构建更为困难，并且由于高阶展开项的忽略导致设计精度存在限制。
[0004]在自由曲面光学系统的设计上，传统的像差模型方法虽然能够通过更改适配自由曲面光学系统的设计，但是由于自由曲面丰富的设计自由度，应用像差模型的优化方法在实际设计中存在较大的困难。同时由于像差模型在构建时往往采用一定的高阶展开近似忽略的策略，因此模型与实际情况存在一定的差异，影响设计精度。
[0005]除了像差模型方法外，近些年研究者们提出了一些全新的设计理念和设计策略用于解决自由曲面光学系统的设计问题，包括“SMS”方法，“point
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‑r/>point”方法等。其中SMS方法通过求解一系列的偏微分方程组直接获得目标系统的面型，“point
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point”方法通过光线追迹手段迭代求解系统中各个光学曲面的面型实现系统优化设计；但是“SMS”方法在求解时需要求解复杂的偏微分方程，难度较高；“point
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point”方法在求解上需要逐条光线计算，耗时较长。更为自动化、设计能力更强的自由曲面光学系统设计方法能够催生更高性能自由曲面光学系统的设计，对于高性能自由曲面光学系统发展具有极大的意义。
[0006]论文《Automated design of freeform imaging systems》和《Towards automatic freeform optics design:coarse and fine search of the three
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mirror solution space》给出了一种“point
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point”的设计方法，通过逐根光线求解的方式迭代获得每一个目标自由曲面上的一系列特征点坐标和法线方向，通过拟合放肆获得对应的自由曲面面型；但是在求解上只能逐根光线求解，因此整个计算过程耗时较长，并且在逻辑上无法实现高性能的并行计算。
[0007]论文《Freeform imaging systems:Fermat
’
s principle unlocks“first time right”design》给出了一种应用像差模型理论的设计方法，通过优化构建的像差模型实现自由曲面光学系统设计；但是不可避免地存在像差模型构建困难、优化过程需要设计人员经验指导等问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术为解决上述问题，提供一种快速，高效的自由曲面反射/衍射光学系统设计方法，能够最大可能降低设计人员相关经验的需求并且快速、准确的给出满足设计需求的光学系统设计结果。
[0009]本专利技术提供一种自由曲面光学系统的设计方法，所述退化使用方法包括步骤：
[0010]所述设计方法包括对光学系统中的单个自由曲面进行优化设计，所述单个自由曲面为待优化的自由曲面，所述单个自由曲面的优化设计包括步骤：
[0011]S1、在所述光学系统中设定一系列离散的采样视场和波长，按理想物象关系确定每个采样视场和波长组合对应的像点坐标；
[0012]S2、从确定的每一组共轭物象点，双向追迹光线到所述待优化的自由曲面上，确定前后波前面，获得波前面表达式；
[0013]S3、针对每一组共轭波前面，确定参考光线；
[0014]S4、选择接受面和入射光线面，构建每一组所述双向追迹光线的信息，求解对应的所述待优化的自由曲面上的特征点坐标，并求解对应的所述待优化的自由曲面的法线信息；
[0015]S5、针对所有共轭物象点求解得到的待优化自由曲面上的特征点坐标，进行面型拟合，实现对所述待优化的自由曲面的优化设计。
[0016]优选的，所述S2中，按照等光程原则确定所述前后波前面，通过最小二乘法拟合获得所述波前面表达式。
[0017]优选的，所述S3中，将每一组共轭波前面的两个面之间，经过所述待优化的自由曲面的中心的一条光线，确定为所述参考光线。
[0018]优选的，所述S4中，所述接受面的波前面拟合残余误差均方根小于所述入射光线面。
[0019]优选的，所述S4中，按照等光程以及光线垂直波前面的规则，求解对应的所述待优化的自由曲面上的特征点坐标。
[0020]优选的，所述S4中，按照反射方程或衍射方程求解对应的所述待优化的自由曲面的法线信息。
[0021]优选的，求解对应的所述待优化的自由曲面上的特征点坐标，采用迭代求解的方式。
[0022]优选的，所述迭代求解的方式包括步骤：
[0023]S41、针对一条所述双向追迹光线，所述双向追迹光线的起始点到转折点的距离为光程d，后置波前面上任一点的坐标(x，y，z)；设置所述光程d的初始值为两个波前面之间等光程量的一半，设置所述坐标的初始值为所述后置波前面的中心坐标值；
[0024]S42、根据等光程原理，从后置波前面上的假定交点沿该点面型法线方向追迹对应距离，与前置波前面上确定的两个特征点对比，获得一组新的待求解量的值；
[0025]S43、按照1：1的比例混合所述待求解量的初始值和新获得的值，作为本轮计算的结果替换初始值；
[0026]S44、重复S41～S43，直到S42中获得的两个特征点之间的距离小于设定阈值，完成该条光线的求解。
[0027]本专利技术还提供一种计算机设备，包括：
[0028]至少一个处理器；以及
[0029]与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
[0030]所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本专利技术所述的一种自由曲面光学系统的设计方法。
[0031]本专利技术还提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行本专利技术所述的一种自由曲面光学系统的设计方法。
[0032]与现有技术相比，本专利技术能够取得如下有益效果：
[0033]本专利技术所提供的自由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括对光学系统中的单个自由曲面进行优化设计，所述单个自由曲面为待优化的自由曲面，所述单个自由曲面的优化设计包括步骤：S1、在所述光学系统中设定一系列离散的采样视场和波长，按理想物象关系确定每个采样视场和波长组合对应的像点坐标；S2、从确定的每一组共轭物象点，双向追迹光线到所述待优化的自由曲面上，确定前后波前面，获得波前面表达式；S3、针对每一组共轭波前面，确定参考光线；S4、选择接受面和入射光线面，构建每一组所述双向追迹光线的信息，求解对应的所述待优化的自由曲面上的特征点坐标，并求解对应的所述待优化的自由曲面的法线信息；S5、针对所有共轭物象点求解得到的待优化自由曲面上的特征点坐标，进行面型拟合，实现对所述待优化的自由曲面的优化设计。2.如权利要求1所述的自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述S2中，按照等光程原则确定所述前后波前面，通过最小二乘法拟合获得所述波前面表达式。3.如权利要求1所述的自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述S3中，将每一组共轭波前面的两个面之间，经过所述待优化的自由曲面的中心的一条光线，确定为所述参考光线。4.如权利要求1所述的自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述S4中，所述接受面的波前面拟合残余误差均方根小于所述入射光线面。5.如权利要求1所述的自由曲面光学系统的设计方法，特征在于，所述S4中，按照等光程以及光线垂直波前面的规则，求解对应的所述待优化的自由曲面上的特征点坐标。6.如权利要求1所述的自由曲面光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新宇，李文昊，姜岩秀，迟振东，郑钟铭，郭灏锋，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：