CN113204113A - 光学系统的自由曲面优化方法、装置和计算机存储介质 - Google Patents
光学系统的自由曲面优化方法、装置和计算机存储介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光学系统的自由曲面优化方法，包括：以光学系统结构为基础，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，以得到灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件；基于光学系统中的不同自由曲面，建立不同自由曲面在自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面；根据优化自由曲面对应的第二灵敏度矩阵、光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出优化自由曲面的初始系数，以对光学系统的自由曲面进行优化处理。本发明还公开了一种光学系统的自由曲面优化装置和可读存储介质。本发明实现了自由曲面位置、面型的选取及优化初始值的设置，降低优化难度，提高优化效率和像质的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学系统的自由曲面优化方法、装置和计算机存储介质。
背景技术
随着光学技术的不断发展和进步，光学技术在生物医学、化学分析、地球遥感探测、宇宙探索等领域有着非常重要的应用。自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称的，结构灵活，变量较多，是不具有对称性的复杂面形的光学曲面，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差，减小系统的体积、重量与镜片数量。
近几十年来，自由曲面在非成像领域，尤其是照明领域得到了成功的应用。对于现代成像领域，光学系统视场与孔径更大，对像质、体积、重量提出了更高的要求，同时系统结构较复杂，产生各种特殊像差，因而，自由曲面以其变量多，面形灵活的特点，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前景。
目前，自由曲面光学设计，多采用球面或非球面光学系统作为设计的初始结构，但由于加工和检测技术的限制，在系统中自由曲面所占的比例不宜过多。为了使有限的自由曲面数量发挥更好的作用，选取合适的被自由曲面所替代的元件位置和自由曲面面形非常的有必要。在后续的优化过程中，参数多且复杂，优化变量大多且无初始值，需从零开始搜索最优解，优化难度也随之变大，导致了优化效率低、提高像质不明显等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光学系统的自由曲面优化方法、装置和计算机存储介质，旨在解决自由曲面所附元件位置及面形的选取，以及如何设置优化变量的初始值，并降低优化难度，提高优化效率和像质的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，所述光学系统的自由曲面优化方法包括：
以元件面形转换为自由曲面的光学系统结构为基础，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，以得到灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件；
基于所述光学系统中的不同自由曲面，建立不同自由曲面在所述自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面；
根据所述优化自由曲面对应的第二灵敏度矩阵、所述光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出所述优化自由曲面的初始系数，以对所述光学系统的自由曲面进行优化处理。
可选的，在所述建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵之前，所述所述光学系统的自由曲面优化方法还包括：
利用编写好的光学软件，将元件面形结合自由曲面表达式，确定同一自由曲面表达式，其中，所述同一自由曲面表达式为Fringe Zernike多项式、XY多项式或自定义表达式中的任一种。
可选的，所述自定义表达式，具体采用以下形式：
公式一：
式中，第一项表示二次曲面，c和k分别表示二次曲面的顶点曲率和二次曲面系数；第二项表示12th非球面，A、B、C…表示非球面系数；第三项表示Fringe Zernike多项式基函数的叠加，Zi代表Fringe Zernike多项式系数，
表示第i项Fringe Zernike多项式；
其中，x和y分别为直角坐标系中的坐标。
可选的，所述建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，以得到灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件，包括：
将所述同一自由曲面表达式分别附加在所述光学系统的不同元件上，得到多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化；
根据所述多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化，建立得到所述同一自由曲面表达式在不同元件上相应的第一灵敏度矩阵；
根据不同元件上相应的第一灵敏度矩阵，在预设目标像质相同的情况下，计算得到灵敏度最高的元件，并作为自由曲面所附加元件。
可选的，所述基于所述光学系统中的不同自由曲面，建立不同自由曲面在所述自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面，包括：
将所述光学系统中的不同自由曲面，分别附加在所述自由曲面附加元件上，得到多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化；
根据所述多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化，建立得到不同自由曲面在所述自由曲面附加元件上相应的第二灵敏度矩阵；
在预设目标像质相同的情况下，利用SVD分解法，确定可在后续优化中使用的优化自由曲面。
可选的，所述根据所述优化自由曲面对应的第二灵敏度矩阵、所述光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出所述优化自由曲面的初始系数，以对所述光学系统的自由曲面进行优化处理，包括：
对所述第二灵敏度矩阵进行SVD分解，并根据公式二，得到初始系数；
公式二：Ai·Xi＝ΔF
式中，Ai为第二灵敏度矩阵，包括A1、A2、A3…；ΔF为当前像质与预设目标像质的差；Xi为优化自由曲面的初始系数；
代入所述初始系数，以对所述光学系统的自由曲面进行优化处理。
可选的，在所述对所述光学系统的自由曲面进行优化处理之后，所述光学系统的自由曲面优化方法还包括：
对优化后的结果进行技术指标评价，得到评价结果，其中，所述技术指标至少包括成像质量。
可选的，所述光学系统为球面或非球面光学系统。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种光学系统的自由曲面优化装置，所述光学系统的自由曲面优化装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的自由曲面优化程序，所述自由曲面优化程序被所述处理器执行时实现如上述中任一项所述的光学系统的自由曲面优化方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有自由曲面优化程序，所述自由曲面优化程序被处理器执行时实现如上述中任一项所述的光学系统的自由曲面优化方法的步骤。
本发明首先是以元件面形转换为自由曲面的光学系统结构为基础，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，选取波像差灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件，然后针对这一自由曲面附加元件，建立不同自由曲面在该自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面，最后结合第二灵敏度矩阵、光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出优化自由曲面的初始系数，并以进行自由曲面的优化，进而实现了自由曲面在光学系统中的位置及所用面形的选取，自由曲面优化初始值的设置，最大程度的在优化过程中发挥自由曲面的作用，从而达到降低优化难度，提高优化效率和像质的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例方案涉及的光学系统的自由曲面优化装置运行环境的结构示意图；
图2为本发明光学系统的自由曲面优化方法一实施例的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的光学系统的自由曲面优化装置运行环境的结构示意图。
如图1所示，该光学系统的自由曲面优化装置可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的自由曲面优化装置的硬件结构并不构成对自由曲面优化装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种计算机可读存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及计算机程序。其中，操作系统是管理和控制自由曲面优化装置和软件资源的程序，支持自由曲面优化程序以及其它软件和/或程序的运行。
在图1所示的自由曲面优化装置的硬件结构中，网络接口1004主要用于接入网络；用户接口1003主要用于侦测确认指令和编辑指令等。而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的自由曲面优化程序，并执行以下操作：
以元件面形转换为自由曲面的光学系统结构为基础，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，以得到灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件；
基于所述光学系统中的不同自由曲面，建立不同自由曲面在所述自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面；
根据所述优化自由曲面对应的第二灵敏度矩阵、所述光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出所述优化自由曲面的初始系数，以对所述光学系统的自由曲面进行优化处理。
进一步地，所述自由曲面优化装置通过处理器1001调用存储器1005中存储的自由曲面优化程序，以执行下述操作：
利用编写好的光学软件，将元件面形结合自由曲面表达式，确定同一自由曲面表达式，其中，所述同一自由曲面表达式为Fringe Zernike多项式、XY多项式或自定义表达式中的任一种。
进一步地，所述自由曲面优化装置通过处理器1001调用存储器1005中存储的自由曲面优化程序，以执行下述操作：
所述自定义表达式，具体采用以下形式：
公式一：
式中，第一项表示二次曲面，c和k分别表示二次曲面的顶点曲率和二次曲面系数；第二项表示12th非球面，A、B、C…表示非球面系数；第三项表示Fringe Zernike多项式基函数的叠加，Zi代表Fringe Zernike多项式系数，
表示第i项Fringe Zernike多项式；
其中，x和y分别为直角坐标系中的坐标。
进一步地，所述自由曲面优化装置通过处理器1001调用存储器1005中存储的自由曲面优化程序，以执行下述操作：
将所述同一自由曲面表达式分别附加在所述光学系统的不同元件上，得到多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化；
根据所述多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化，建立得到所述同一自由曲面表达式在不同元件上相应的第一灵敏度矩阵；
根据不同元件上相应的第一灵敏度矩阵，在预设目标像质相同的情况下，计算得到灵敏度最高的元件，并作为自由曲面所附加元件。
进一步地，所述自由曲面优化装置通过处理器1001调用存储器1005中存储的自由曲面优化程序，以执行下述操作：
将所述光学系统中的不同自由曲面，分别附加在所述自由曲面附加元件上，得到多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化；
根据所述多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化，建立得到不同自由曲面在所述自由曲面附加元件上相应的第二灵敏度矩阵；
在预设目标像质相同的情况下，利用SVD分解法，确定可在后续优化中使用的优化自由曲面。
进一步地，所述自由曲面优化装置通过处理器1001调用存储器1005中存储的自由曲面优化程序，以执行下述操作：
对所述第二灵敏度矩阵进行SVD分解，并根据公式二，得到初始系数；
公式二：Ai·Xi＝ΔF
式中，Ai为第二灵敏度矩阵，包括A1、A2、A3…；ΔF为当前像质与预设目标像质的差；Xi为优化自由曲面的初始系数；
代入所述初始系数，以对所述待优化的自由曲面进行优化处理。
进一步地，所述自由曲面优化装置通过处理器1001调用存储器1005中存储的自由曲面优化程序，以执行下述操作：
对优化后的结果进行技术指标评价，得到评价结果，其中，所述技术指标至少包括成像质量。
进一步地，所述自由曲面优化装置通过处理器1001调用存储器1005中存储的自由曲面优化程序，以执行下述操作：
所述光学系统为球面或非球面光学系统。
基于上述自由曲面优化装置硬件结构，提出本发明光学系统的自由曲面优化方法的各个实施例。
参照图2，图2为本发明光学系统的自由曲面优化方法一实施例的流程示意图。
本实施例中，光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，所述光学系统的自由曲面优化方法包括：
步骤S10，以元件面形转换为自由曲面的光学系统结构为基础，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，以得到灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件；
本实施例中，光学系统为球面或非球面光学系统。自由曲面光学设计多采用球面或非球面光学系统作为设计的初始结构，因而选取已优化到一定程度的球面或非球面光学系统初始结构。自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面。自由曲面光学设计多采用球面或非球面系统作为设计的初始结构，在后续的优化过程中，将已优化到一定程度的系统中的部分曲面替换为被更复杂的自由曲面。
本实施例中，利用已有的自由曲面表达式，建立第一灵敏度矩阵，这个已有的自由曲面表达式是根据光学系统选取的，例如：旋转对称的系统可以利用Fringe Zernike多项式，而非旋转对称的可能就利用xy多项式，也可能是利用其它的自由曲面表达形式等，从而确定同一自由曲面表达式。同一自由曲面表达式是指利用同一表达式描述的面形，例如，Fringe Zernike多项式、XY多项式等,在这里可以任意选择，也可以根据系统预选一个面形用于后续步骤，因为这一步只是为选择灵敏度更高的镜面，只要保证利用同一自由曲面表达式，控制变量就可以。通过这一同一自由曲面表达式，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵。在这里不同元件指的是不同的镜面，一个光学系统是由很多镜子组合而成的，不同的元件指不同的镜子。通过第一灵敏度矩阵，选取将面形替换为自由曲面后对波像差灵敏度最高的元件作为被替代的曲面，即灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件。
步骤S20，基于光学系统中的不同自由曲面，建立不同自由曲面在自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面；
本实施例中，针对这一自由曲面附加元件，再利用不同表达形式的自由曲面建立第二灵敏度矩阵，找到灵敏度最高的自由曲面表达形式用于附加在原有的曲面面形上，即确定可在后续优化中使用的优化自由曲面，从而实现对于自由曲面位置及面形的选取。
步骤S30，根据优化自由曲面对应的第二灵敏度矩阵、光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出优化自由曲面的初始系数，以对光学系统的自由曲面进行优化处理。
本实施例中，通过自定义面形建立将用于优化的自由曲面，并结合该面形在此位置的灵敏度矩阵，根据物镜当前像质与设计目标像质的差，求解出自由曲面的初始系数，代入初始系数进行自由曲面的优化。
本实施例中，首先是以元件面形转换为自由曲面的光学系统结构为基础，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，选取波像差灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件，然后针对这一自由曲面附加元件，建立不同自由曲面在该自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面，最后结合第二灵敏度矩阵、光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出优化自由曲面的初始系数，并以进行自由曲面的优化，进而实现了自由曲面在光学系统中的位置及所用面形的选取，自由曲面优化初始值的设置，最大程度的在优化过程中发挥自由曲面的作用，从而达到降低优化难度，提高优化效率和像质的有益效果。
基于上述实施例，本实施例中，在建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵之前，所述光学系统的自由曲面优化方法还包括：
利用编写好的光学软件，将元件面形结合自由曲面表达式，确定同一自由曲面表达式，其中，同一自由曲面表达式为Fringe Zernike多项式、XY多项式或自定义表达式中的任一种。
本实施例中，对于已优化到一定程度的非球面或球面系统，利用光学软件中面形之间转换，即可得到自由曲面对应的自由曲面表达式，比如Fringe Zernike多项式或XY多项式。旋转对称的球面系统可以利用Fringe Zernike多项式，而非旋转对称的非球面系统可能就利用xy多项式，也可能是利用其它的自由曲面表达形式。
进一步地，对于已优化到一定程度的非球面，若非球面含有高次项，仅利用光学软件中面形之间转换，并不能够实现非球面与自由曲面之间的完美转换。所以基于自定义面形，建立基础曲面加自由曲面的形式，以基础曲面部分为12th非球面，自由曲面部分为Fringe Zernike多项式为例，自定义表达式，具体采用以下形式：
公式一：
式中，第一项表示二次曲面，c和k分别表示二次曲面的顶点曲率和二次曲面系数；第二项表示12th非球面，A、B、C…表示非球面系数；第三项表示Fringe Zernike多项式基函数的叠加，Zi代表Fringe Zernike多项式系数，
表示第i项Fringe Zernike多项式；
其中，x和y分别为直角坐标系中的坐标。
基于上述实施例，本实施例中，上述步骤S10中，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，以得到灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件，包括：
步骤S11，将同一自由曲面表达式分别附加在光学系统的不同元件上，得到多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化；
步骤S12，根据多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化，建立得到同一自由曲面表达式在不同元件上相应的第一灵敏度矩阵；
步骤S13，根据不同元件上相应的第一灵敏度矩阵，在预设目标像质相同的情况下，计算得到灵敏度最高的元件，并作为自由曲面所附加元件。
本实施例中，在已实现将自由曲面附加到元件曲面上后，以附加自由曲面面形为Fringe Zernike多项式为例，将Fringe Zernike多项式的系数设置为固定值，例如0.1，将其通过自定义面形的形式分别附加在元件上，得到多个视场的反应波像差的FringeZernike多项式系数变化，建立对应的灵敏度矩阵,选取灵敏度更高的元件作为自由曲面所附加的元件。例如：确定待进行自由曲面优化的球面或非球面系统，将同一自由曲面表达式分别附加到系统不同元件的曲面上，将系数设置为固定值，例如0.1，得到多个视场的波像差Fringe Zernike多项式系数的变化，建立对应的灵敏度矩阵：A、B、C、D…,选取灵敏度更高的元件作为自由曲面所附件的元件。
本实施例中，每个元件相对于同一个自由曲面有相应的灵敏度矩阵，在预设目标像质和当前像质相同的情况下，分别利用每一个元件的灵敏度矩阵，基于SVD分解法计算，再通过光学系统的设计要求，例如像质、畸变等，综合评估计算结果，从而确定附加元件。
基于上述实施例，本实施例中，上述步骤S20，基于光学系统中的不同自由曲面，建立不同自由曲面在自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面，包括：
步骤S21，将光学系统中的不同自由曲面，分别附加在自由曲面附加元件上，得到多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化；
步骤S22，根据多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化，建立得到不同自由曲面在自由曲面附加元件上相应的第二灵敏度矩阵；
步骤S23，在预设目标像质相同的情况下，利用SVD分解法，确定可在后续优化中使用的优化自由曲面。
本实施例中，在选定可附加的元件后，就是如何选择更加有效用的自由曲面类型。先选取几种待定的自由曲面面形，将不同的自由曲面面形以自定义面形方式分别附加在选定的元件上。使其系数分别为固定值，例如0.1，得到多个视场的反应波像差的FringeZernike多项式系数变化，分别建立不同的自由曲面面形对波像差的灵敏度矩阵。例如：在选定可附加的元件后，将不同的自由曲面面形分别附加在选定的元件上，使其系数分别为固定值，例如0.1，得到多个视场的波像差Fringe Zernike多项式系数的变化，分别建立不同的自由曲面面形对波像差的灵敏度矩阵：A1、A2、A3…。
本实施例中，相同元件相对于不同的自由曲面有相应的灵敏度矩阵，在预设目标像质和当前像质相同的情况下，分别利用每一个自由曲面的灵敏度矩阵，基于SVD分解法计算，再通过光学系统的设计要求，例如像质、畸变等，综合评估计算结果，从而确定最终所用的自由曲面，即确定可在后续优化中使用的优化自由曲面。
基于上述实施例，本实施例中，上述步骤S30，根据优化自由曲面对应的第二灵敏度矩阵、光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出优化自由曲面的初始系数，以对光学系统的自由曲面进行优化处理，包括：
对第二灵敏度矩阵进行SVD分解，并根据公式二，得到初始系数；
公式二：Ai·Xi＝ΔF
式中，Ai为第二灵敏度矩阵，包括A1、A2、A3…；ΔF为当前像质与预设目标像质的差；Xi为优化自由曲面的初始系数；
代入初始系数，以对光学系统的自由曲面进行优化处理。
本实施例中，由于在求解系数时，方程是不相容，因而将灵敏度矩阵进行SVD分解，寻找最优解。选取在目标波像差相同变化量时，可使波像差降低更多的自由曲面面形。根据系统实际像质与设计目标像质的差，求解自由曲面系数，即选取在目标ΔF相同时，求得的最优解使系统的像质更优的自由曲面面形。求得的系数设置为自由曲面优化的初始值，进行自由曲面的优化。
本实施例中，是基于面形精修的思想，利用建立相同自由曲面在不同元件上及不同的自由曲面在相同元件上对于波像差影响的灵敏度矩阵，从而实现将要自由曲面化的元件及利用的自由曲面面形的选取，并利用选取过程中所解得的系数实现自由曲面优化初始值的设置。有效的解决了由于加工和检测技术给自由曲面元件数量限制的情况下，自由曲面在系统中位置的选择，及由于自由曲面优化无初值导致的优化不收敛、提高像质不明显等问题。
进一步地，在本发明另一实施例中，在上述步骤S30之后，所述光学系统的自由曲面优化方法还包括：
对优化后的结果进行技术指标评价，得到评价结果，其中，技术指标至少包括成像质量。
本实施例中，技术指标至少包括成像质量，即像质，还可以包括现有的光学孔径和聚光能力等其它设计指标。通过评价结果，可以清楚了解自由曲面光学系统的优化效果。
此外，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有自由曲面优化程序，所述自由曲面优化程序被处理器执行时实现如上述中任一项所述的光学系统的自由曲面优化方法的步骤。
本发明计算机可读存储介质具体实施例与上述光学系统的自由曲面优化方法的各实施例基本相同，在此不再详细赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个可读存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，这些均属于本发明的保护之内。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，所述光学系统的自由曲面优化方法包括：
以元件面形转换为自由曲面的光学系统结构为基础，建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，以得到灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件；
基于所述光学系统中的不同自由曲面，建立不同自由曲面在所述自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面；
根据所述优化自由曲面对应的第二灵敏度矩阵、所述光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出所述优化自由曲面的初始系数，以对所述光学系统的自由曲面进行优化处理。
2.如权利要求1所述的光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，在所述建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵之前，所述光学系统的自由曲面优化方法还包括：
利用编写好的光学软件，将元件面形结合自由曲面表达式，确定同一自由曲面表达式，其中，所述同一自由曲面表达式为Fringe Zernike多项式、XY多项式或自定义表达式中的任一种。
3.如权利要求2所述的光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，所述自定义表达式，具体采用以下形式：
公式一：
式中，第一项表示二次曲面，c和k分别表示二次曲面的顶点曲率和二次曲面系数；第二项表示12th非球面，A、B、C…表示非球面系数；第三项表示Fringe Zernike多项式基函数的叠加，Zi代表Fringe Zernike多项式系数，
表示第i项Fringe Zernike多项式；
其中，x和y分别为直角坐标系中的坐标。
4.如权利要求1或2所述的光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，所述建立同一自由曲面表达式在不同元件上的第一灵敏度矩阵，以得到灵敏度最高的元件作为自由曲面附加元件，包括：
将所述同一自由曲面表达式分别附加在所述光学系统的不同元件上，得到多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化；
根据所述多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化，建立得到所述同一自由曲面表达式在不同元件上相应的第一灵敏度矩阵；
根据不同元件上相应的第一灵敏度矩阵，在预设目标像质相同的情况下，计算得到灵敏度最高的元件，并作为自由曲面所附加元件。
5.如权利要求1所述的光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，所述基于所述光学系统中的不同自由曲面，建立不同自由曲面在所述自由曲面附加元件上的第二灵敏度矩阵，并确定可在后续优化中使用的优化自由曲面，包括：
将所述光学系统中的不同自由曲面，分别附加在所述自由曲面附加元件上，得到多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化；
根据所述多个视场的反应波像差的Fringe Zernike多项式系数变化，建立得到不同自由曲面在所述自由曲面附加元件上相应的第二灵敏度矩阵；
在预设目标像质相同的情况下，利用SVD分解法，确定可在后续优化中使用的优化自由曲面。
6.如权利要求1所述的光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，所述根据所述优化自由曲面对应的第二灵敏度矩阵、所述光学系统的当前像质与预设目标像质的差，求解出所述优化自由曲面的初始系数，以对所述光学系统的自由曲面进行优化处理，包括：
对所述第二灵敏度矩阵进行SVD分解，并根据公式二，得到初始系数；
公式二：Ai·Xi＝ΔF
式中，Ai为第二灵敏度矩阵，包括A1、A2、A3…；ΔF为当前像质与预设目标像质的差；Xi为优化自由曲面的初始系数；
代入所述初始系数，以对所述光学系统的自由曲面进行优化处理。
7.如权利要求1所述的光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，在所述对所述光学系统的自由曲面进行优化处理之后，所述光学系统的自由曲面优化方法还包括：
对优化后的结果进行技术指标评价，得到评价结果，其中，所述技术指标至少包括成像质量。
8.如权利要求1所述的光学系统的自由曲面优化方法，其特征在于，所述光学系统为球面或非球面光学系统。
9.一种光学系统的自由曲面优化装置，其特征在于，所述光学系统的自由曲面优化装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的自由曲面优化程序，所述自由曲面优化程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的光学系统的自由曲面优化方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有自由曲面优化程序，所述自由曲面优化程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的光学系统的自由曲面优化方法的步骤。
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