CN115933175A - 基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法 - Google Patents

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秦子长
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Abstract

基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，涉及光学自由曲面设计优化技术领域，解决现有方法需要耗费大量的评价与优化时间，且无法针对光学系统进行优化，导致效率低且具有盲目性等问题，本方法通过对光学系统初始结构进行像质优化；基于局部曲率控制构建误差敏感度评价函数以及误差敏感度评价与优化三个步骤实现，本方法降低光学系统误差敏感度，提高自由曲面光学系统抵抗误差干扰能力的问题。结合了“环‑臂”的参考点采样方式，通过对光瞳采样点处周围微小区域的局部曲率的分析，评价与优化，在保证光学系统成像质量的前提条件之下，实现降低光学系统误差敏感度的需求。

Description

基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法
技术领域
本发明涉及光学自由曲面设计优化技术领域，具体涉及一种基于局部曲率控制的自由曲面光学系统误差敏感度评价与优化方法。
背景技术
目前，任何一个光学系统从理论设计到现实实现的过程中，都难免会受到多种误差的干扰，这些误差可能来自制造，对准，环境等。误差敏感度较高的光学系统往往很难实现最优设计结果的建成性能。因此，降低光学系统的误差敏感度是光学系统设计过程中的一个重要环节。
光学自由曲面凭借其强大像差校正能力，已逐渐在各类光学系统中得到应用。目前自由曲面多用于提高光学系统的成像质量，在论文及专利所报道的方法中，尚无针对自由曲面光学系统所提出的误差敏感度评价与优化方法，因此提出一种优化自由曲面光学系统误差敏感度的方法具有重要意义。
在自由曲面的降敏设计与应用中，研究人员发现应用某些类型的自由曲面后，光学系统的误差敏感度将得到不同程度的改善。BinMa等人应用普通光学非球面与Q-type自由曲面对比设计了手机照相物镜，公差分析表明，应用Q-type面型的光学系统的偏心敏感度和厚度误差敏感度明显小于普通非球面的误差敏感度(出处：BinMa,Sharma K,ThompsonK P.Mobile device camera design with Q-type polynomials to achieve higherproduction yield.Optics Express,2013,21(15):17454-17463)(采用Q型多项式自由曲面提高移动相机产量)。K.P.Thompson等人设计了一种应用了自由曲面的非共轴三反射镜光学系统，对比传统的非球面离轴三反光学系统，该非共轴系统具有更低的装调敏感度。这些对比表明在该设计中，自由曲面对降低光学系统误差敏感度发挥了重要作用(出处：Thompson KP,Schiesser E,Rolland J P.Why are freeform telescopes lessalignment sensitive than a traditional unobscured TMA？.Proceedings of SPIE,2015,9633:963317.)(为什么自由曲面离轴三反光学系统比传统无遮挡的离轴三反光学系统具有更低的对准敏感度？)。然而，现有的适用于自由曲面的降敏设计方法只能证明一些复杂光学曲面对光学系统误差敏感度的优化具有一定的积极作用，目前尚没有明确的指导自由曲面降敏的方法。
目前，尚无针对自由曲面光学系统的误差敏感度评价与优化方法，仍采用适用于所有光学系统通用的全局搜索法与多重结构优化法。这两种方法都没有误差敏感度理论作为指导，因此需要耗费大量的评价与优化时间，其中全局搜索法在一定的范围内进行搜索，将满足条件的所有系统进行误差敏感度评价，在其中选择误差敏感度较好的光学系统；多重结构优化法则是在优化结果的基础上，构建包含多重误差类型的多重结构，再将这些多重结构进行优化。这两种方法虽然具备一定的实用性，但是无法针对性的对光学系统进行优化，效率低且具有盲目性。
但针对自由曲面光学系统，在现有技术中，尚无公开报道的专门针对自由曲面光学系统的降敏设计方法。
发明内容
本发明为解决现有方法需要耗费大量的评价与优化时间，且无法针对光学系统进行优化，导致效率低且具有盲目性等问题，提供一种基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法。
基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、对光学系统初始结构进行像质优化；
步骤二、基于局部曲率控制构建误差敏感度评价函数；具体过程为：
步骤二一、光瞳采样：根据面型的复杂程度进行光瞳采样；
步骤二二、计算单一视场，单个光学元件的误差敏感度LC；
步骤二三、计算光学系统的误差敏感度LCS,F；
步骤三、误差敏感度评价与优化；
对光学系统的误差敏感度进行评价，若所述光学系统满足误差敏感度要求，则该系统作为最终结果输出，若不满足要求，则需要进行降敏设计优化，直至输出同时满足像质要求和误差敏感度要求的光学系统。
本发明的有益效果：
本发明基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，该方法基于微元的思想将复杂的自由曲面面型分解成为多个简单的二次曲面面型，采用局部区域曲率控制的方法，对该局部的误差敏感度进行评价与优化。目的是解决降低光学系统误差敏感度，提高自由曲面光学系统抵抗误差干扰能力的问题。该方法结合了“环-臂”的参考点采样方式，通过对光瞳采样点处周围微小区域的局部曲率的分析，评价与优化，在保证光学系统成像质量的前提条件之下，实现降低光学系统误差敏感度的需求。
与现有技术相比，本发明方法可以在保证光学系统成像质量的前提下，评价和优化自由曲面光学系统的误差敏感度，量化了光学系统误差敏感度，使用此方法可以显著降低自由曲面光学系统降敏优化过程中的计算量，有针对性地对光学系统进行降敏优化设计，从而提高误差敏感度优化效率。
附图说明
图1为本发明所述的基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法中光瞳采样方法与局部曲率控制方法示意图；
图2为本发明所述的基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法的流程图；
图3中(a)为光学系统的初始结构示意图；(b)为像质优化结果示意图；(c)为误差敏感度优化结果示意图。
图中：1、自由曲面，2、二次曲面基底，3、自由曲面与二次曲面基底沿z方向的偏离量，4、光瞳采样点，5、光瞳采样臂，6、光瞳采样环，7、局部区域近似的二次曲面。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，该方法由以下步骤实现：
一、按设计指标要求构建光学系统的初始结构；
二、对步骤一所述光学系统初始结构进行像质优化；优化过程中，对反射镜的曲率，间距，二次曲面系数以及高次项系数设定为优化变量。为了实现更好的成像质量，可以逐步升级面型，从球面，非球面到自由曲面。对成像质量进行优化，若不满足像质要求，则继续优化像质，若满足像质要求，则执行步骤三进入误差敏感度评价环节。
三、基于局部曲率控制构建误差敏感度评价函数，进行误差敏感度评价与优化；若满足误差敏感度要求，则该系统可以作为最终结果输出，若不满足要求则需要进行降敏设计优化，直至输出同时满足像质要求和误差敏感度要求的光学系统。
本实施方式中，像质要求和误差敏感度要求不固定标准，像质要求根据不同系统的评价标准而确定，误差敏感度要求也根据不同系统的评价标准而确定。
具体过程为：
(1)光瞳采样：根据面型的复杂程度进行光瞳采样；
以三反射镜自由曲面光学系统为例，光瞳采样方法与局部曲率控制方法示意图如图1所示。图中包括自由曲面1，二次曲面基底2，自由曲面与二次曲面基底沿z方向的偏离量3，光瞳采样点4，光瞳采样臂5，光瞳采样环6以及局部区域近似的二次曲面7；图中，z(y)为自由曲面矢高，Arm1-Armn为采样的臂数。基于微元的思想，通过光瞳采样的方法分析每一个采样点周围的微小区域，可以将每一个微小区域近似成为一个简单的二次曲面面型，对其进行误差敏感度的评价与优化；
(2)计算单一视场，单个光学元件的误差敏感度LC；
Figure BDA0003991877890000041
每一个采样点处，采样点周围的微小区域的曲率半径定义为LCu,v，其中u是环序号，共有NOR个环；v是臂序号，共有NOA个臂。首先计算单一视场对应的一面自由曲面反射镜的误差敏感度，
(3)计算所有视场对应的三面自由曲面反射镜的误差敏感度的误差敏感度评价函数。即：计算光学系统的误差敏感度LCS,F；
所有视场对应的三面自由曲面反射镜的误差敏感度LCS,F：
Figure BDA0003991877890000042
式中，S为面序号，共有NOS个光学表面；F为视场序号，共有NOF个视场。具体实施方式二、结合图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于局部曲率控制的自由曲面光学系统误差敏感度评价与优化方法的实施例：
光学系统的初始结构选择一个焦距850mm，F#4.25，视场20°×30°，工作波长为588nm的离轴三反射镜光学系统，布局图如图3中(a)所示，以该系统的误差敏感度优化过程为例验证本发明的有效性。
一、对该初始结构进行像质优化。将三面反射镜面型升级为自由曲面，经过像质优化，获得像质优化结果，布局图如图3中的(b)所示，波像差为0.088λ。
二、对像质优化结果进行误差敏感度评价与优化。设定像质允许范围为0.088λ±10％，λ为波长，误差敏感度要求小于0.400。像质优化结果经过误差敏感度分析，误差敏感度为0.638，不满足误差敏感度要求，需要进行误差敏感度优化。
三、误差敏感度分析过程中采用8环10臂的光瞳采样方式，共80个参考点，对80个微小局部区域的曲率进行控制与优化，经过误差敏感度优化，获得误差敏感度优化结果，布局图如图3中的(c)所示，此时光学系统的波像差为0.096λ，误差敏感度为0.400，光学系统的像质和误差敏感度同时满足要求，可以作为优化设计结果输出。
对初始结构与设计结果进行误差敏感度分析，分析采用蒙特卡洛的方法，误差形式为光学元件倾斜和偏心，误差量为倾斜0.01°，偏心0.01mm，对比结果如表1所示，表1为初始结构与设计结果误差敏感度分析结果：
表1
初始结构 优化设计结果
均方根波像差ΔRMS WFE/λ 0.088 0.096
ΔRMS WFE平均值/λ 0.068 0.034
ΔRMS WFE最大值/λ 0.024 0.119
标准差/λ 0.049 0.024
根据误差敏感度分析结果可知，光学系统的误差敏感得到有效的降低，相同误差干扰的情况下，经过误差敏感度优化的光学系统的波像差变化量为优化前的一半，且完成误差敏感度优化的光学系统像质仍然满足光学系统要求，证明了本发明的正确性和有效性。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、对光学系统初始结构进行像质优化；
步骤二、基于局部曲率控制构建误差敏感度评价函数；具体过程为：
步骤二一、光瞳采样：根据面型的复杂程度进行光瞳采样；
步骤二二、计算单一视场，单个光学元件的误差敏感度；
步骤二三、计算光学系统的误差敏感度；
步骤三、误差敏感度评价与优化；
对光学系统的误差敏感度进行评价，若所述光学系统满足误差敏感度要求，则该系统作为最终结果输出，若不满足要求，则需要进行降敏设计优化，直至输出同时满足像质要求和误差敏感度要求的光学系统。
2.根据权利要求1所述的基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，其特征在于：步骤一中，对反射镜的曲率，间距，二次曲面系数以及高次项系数设定为优化变量进行像质优化。
3.根据权利要求1所述的基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，其特征在于：步骤二一中，通过光瞳采样的方法分析每一个采样点周围的小区域，将每一个小区域近似成为一个二次曲面面型，进行光瞳采样。
4.根据权利要求1所述的基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，其特征在于：步骤二二中，单个光学元件的误差敏感度LC的公式为：
Figure FDA0003991877880000011
每一个采样点处，采样点周围的小区域的曲率半径为LCu,v，其中u是环序号，共有NOR个环；v是臂序号，共有NOA个臂。
5.根据权利要求1所述的基于局部曲率控制的自由曲面光学系统降敏设计方法，其特征在于：步骤三三中，计算光学系统的误差敏感度LCS,F的公式为：
Figure FDA0003991877880000012
式中，S为面序号，共有NOS个光学表面；F为视场序号，共有NOF个视场。
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