【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学仿真领域，具体涉及了一种高效可微的光学系统退化仿真方法。
技术介绍
1、近年来，计算光学桥接了光学设计与下游的图像后处理算法，以软硬结合的光数联合设计方式寻找使得图像任务最优的解，而不仅仅拘束于最佳的光学成像质量或最适配的图像后处理算法。然而，对于光学系统的可微退化仿真目前还局限于几何像差，难以应用到受限于衍射效应的移动终端模组上。而且，图形计算卡的显存空间限制了可微光学退化仿真的计算开销不能太大。所以，新的可微光学退化仿真方法亟待提出以解决这类问题。
2、现有的针对可微光学退化仿真方法可以大致概括为两种：(1)基于几何像差的非相干退化仿真。它将光学系统的点扩散函数近似为光线点列图，通过非相干叠加的方式渲染光学退化。但是由于其忽略了光线之间的相干性与小口径系统的衍射效应，该类方法仅适用与几何像差受限的光学系统，而对小尺寸、衍射受限系统的分析结果有较大偏差。(2)基于出瞳衍射的相干退化仿真。它根据出瞳面上的光程差进行衍射计算，可以准确建模光学系统的衍射效应导致的退化点扩散函数。但是这种方法在可微计算过程中的显存开销较大，难以适用于求解多个点扩散函数的优化任务中。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足和解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种高效可微的光学系统退化仿真方法，本专利技术使用点扩散函数的微分算子准确实现了光学系统的像质退化仿真，并以较低的算力开销实现梯度反向传播，广泛适用于一般光学系统的光数联合优化任务。
2、本专利技术采
3、一种高效可微的光学系统退化仿真方法，包括以下步骤：
4、s1、在计算机光学仿真软件中，获取光学系统的光学表面、光学介质和物面，根据光学系统的光学表面和光学介质采用傍轴光学方法对光学系统进行共轭处理，得到光学系统的入瞳。
5、s2、根据物面获取光学系统的物点，在入瞳内进行均匀采样得到采样点，从物点向采样点发射光线并根据光学表面进行逐面追迹处理，得到若干个交点，然后根据若干个交点依次进行质心处理和格点处理，得到若干个采样格点。
6、s3、根据若干个采样格点进行相干复振幅处理，得到若干个采样格点的相干复振幅函数，然后相干复振幅函数进行共轭乘积处理，得到点扩散函数和点扩散函数中的参数。
7、s4、对点扩散函数依次进行前向传播处理、梯度处理和损失函数处理，然后采用自动微分方法对点扩散函数进行反向梯度传播，得到点扩散函数中的参数的优化梯度。
8、s5、根据点扩散函数中的参数的优化梯度对光学系统进行退化处理，得到退化后的光学系统。
9、所述步骤s2具体为：
10、s21、根据物面获取光学系统的物点，在入瞳内进行均匀采样，得到若干个采样点，并从物点向入瞳内的每个采样点发射光线，得到若干个采样光线。
11、s22、根据采样光线获取光线位置、光线方向和光波波数，并将光线位置、光线方向和光波波数作为存储数据。
12、s23、根据光学表面获取光学系统的下一个表面的类型，对下一个表面进行光线追迹，得到采样光线在下一个表面上的若干个交点，并得到每个采样光线的光程。
13、s24、重复步骤s23，直到所有采样光线沿传播方向到达最后一个光学表面，即到达像面，得到每个采样光线在像面的交点，即得到像面上的若干个交点。
14、s25、将每个采样光线所有的光程进行累和处理，得到每个采样光线的总光程，即得到若干个光线光程。
15、s26、对像面上的若干个交点取质心处理，得到像面上的若干个交点的质心。
16、s27、以像面上的质心为中心，以预设的像面的像素尺寸为间隔在像面上进行建立格点处理，得到若干个采样格点，并将采样格点作为存储数据。
17、所述相干复振幅函数按以下公式进行设置：
18、
19、其中，u(x，y)为复振幅函数，ej表示复数的相位因子，i为索引，opdi表示第i条光线从物点至像面的累计光程，k表示波数，δri(x，y)表示点扩散函数中的采样点(x，y)至采样光线i波前的光程差，表示单根采样光线传播方向向量与像面法线向量的内积，表示在点扩散函数中的采样点(x，y)上求和所有采样光线的复振幅。
20、所述点扩散函数按以下公式设置：
21、
22、其中，psf(x，y)为点扩散函数，u(x，y)为复振幅函数，为u(x，y)的共轭函数
23、所述步骤s4具体为：
24、s41、对点扩散函数进行前向传播处理，并根据存储数据构建微分算子。
25、s42、根据微分算子采用解析微分关系方法对点扩散函数进行梯度处理，得到点扩散函数中的参数的梯度。
26、s43、对点扩散函数进行损失函数处理，得到点扩散函数的损失函数。
27、s44、采用自动微分方法对点扩散函数的损失函数进行反向梯度传播，得到点扩散函数中的参数的优化梯度。
28、所述步骤s41中的存储数据包括光线位置、光线方向、光线光程、光线波数和采样格点。
29、所述步骤s42中的点扩散函数中的参数的梯度包括光线位置的梯度、光线方向的梯度和光线光程的梯度。
30、所述光线位置的梯度按以下公式进行设置：
31、
32、其中，go表示光线位置o的梯度，gpsf表示点扩散函数的梯度，psf表示点扩散函数，u表示复振幅函数，表示求导，o表示光线位置，re()与im()表示取实部与虚部，为复振幅函数u中的相位。
33、所述光线方向的梯度按以下公式进行设置：
34、
35、其中，d表示光线方向，gd表示光线方向d的梯度，opdi表示第i根光线的光程，δri(x，y)表示第i根光线到格点位置(x，y)处的光程差，ej表示复数的相位因子，k表示光线的波数，表示像面的法线方向。
36、所述光线光程的梯度按以下公式进行设置：
37、
38、其中，opd表示光线光程，gopd表示光线光程的梯度。
39、本专利技术的有益效果在于：
40、本专利技术应用于计算光学的联合设计任务中，基于平面波表征的相干点扩散函数仿真的准确性优于几何像差估计下的渲染式非相干点扩散函数，适用于小口径、衍射受限的光学系统。点扩散函数的微分算子使用解析公式处理回传过程中的梯度，改善相干退化仿真显存开销大的问题，实现高效的可微光学退化仿真。本专利技术使得光数联合设计任务能精确仿真光学退化，同时能够满足大量的显存开销。
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1.一种高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
3.根据权利要求1所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述相干复振幅函数按以下公式进行设置：
4.根据权利要求1所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述点扩散函数按以下公式设置：
5.根据权利要求1所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
6.根据权利要求5所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于：
7.根据权利要求5所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述光线位置的梯度按以下公式进行设置：
9.根据权利要求7所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述光线方向的梯度按以下公式进行设置：
10.根据权利要求7所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述
...【技术特征摘要】
1.一种高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：
3.根据权利要求1所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述相干复振幅函数按以下公式进行设置：
4.根据权利要求1所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述点扩散函数按以下公式设置：
5.根据权利要求1所述的高效可微的光学系统退化仿真方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：
【专利技术属性】
技术研发人员：冯华君，任政，徐之海，李奇，陈跃庭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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