CN116661139B - 一种自由曲面光学系统的设计方法 - Google Patents
一种自由曲面光学系统的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116661139B CN116661139B CN202310686277.3A CN202310686277A CN116661139B CN 116661139 B CN116661139 B CN 116661139B CN 202310686277 A CN202310686277 A CN 202310686277A CN 116661139 B CN116661139 B CN 116661139B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wavefront
- free
- optimized
- form surface
- optical system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 100
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 14
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 14
- 238000012938 design process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 19
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 9
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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，能够执行该方法的计算机设备以及计算机可读存储介质。
背景技术
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。
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-分析-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。
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。
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-by-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-by-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-by-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。
论文《Automated design of freeform imaging systems》和《Towardsautomatic freeform optics design:coarse and fine search of the three-mirrorsolution space》给出了一种“point-by-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。
论文《Freeform imaging systems:Fermat’s principle unlocks“first timeright”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。
发明内容
本发明为解决上述问题，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。
本发明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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
优选的，所述迭代求解的方式包括步骤：
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；
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；
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；
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。
本发明还提供一种计算机设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
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发明所述的一种自由曲面光学系统的设计方法。
本发明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发明所述的一种自由曲面光学系统的设计方法。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明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；通过使用粒子群算法实现了更好的全局寻优设计能力；通过使用特殊设计的迭代求解逻辑使得整个计算过程更为快速准确；本发明的设计方法对于折射、反射、衍射或混合光学系统都能适用。
附图说明
图1是理想光学系统中各个光学元件产生的波前变换过程示意图；
图2是本发明具体实施方式中自由曲面光学系统设计方法的计算流程示意图；
图3是本发明具体实施方式中自由曲面光学系统设计方法的计算框架流程示意图；
图4是本发明具体实施方式中适于用来实现本发明实施方式的示例性计算机设备的框图。
附图标记：
1、第一波前面；2、第i波前面；3、第n波前面；4、第一光学曲面；5、第i光学曲面；6、第n光学曲面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，为理想光学系统中各个光学元件产生的波前变换过程示意图，从图中可以看出，该示意图中包括第一波前面1、第i波前面2、第n波前面3、第一光学曲面4、第i光学曲面5以及第n光学曲面6，其中，第n波前面3表示系统出瞳位置的波前面；以理想平面波入射为例，平面波前经过第一光学曲面4后，波前转换为第一波前面1；第一波前面1经过第i光学曲面后，转换为第i波前面2，以此类推。经过最后一个元件(即第n光学曲面6)后，再出瞳位置获得第n波前面3。
本发明具体实施方式中，提供一种自由曲面光学系统的设计方法，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；具体的，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；
S3、针对每一组共轭波前面，确定参考光线；具体的，一组共轭波前面包括S2中提到的前后波前面，这一组共轭波前面位于光路中待优化曲面之前和之后，因此以前后波前面代指；参考光线指经过当前共轭波前组之间经过待优化曲面中心的光线，同时这条光线以满足波前面的定义，即与共轭波前面组垂直于光线与波前面组交点位置；这条参考光线的光程将用于指导后续的所有特征光线求解其在待优化曲面上的交点坐标；具体的，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；
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；具体的，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；可以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；可以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；
具体的实施方式中，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；所述迭代求解的方式包括步骤：
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；在此步骤中这个点的坐标作为迭代求解过程的初始输入，因此可以使用后置波前面上任意一点作为起始。
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；具体的，按照此步骤中确定后置波前面上假定交点处光线方向(波前面面形法线方向)的方式，来确定前置波前面上的两个特征点；此处的两个特征点，具体指从前置波前面和后置波前面确定的双向追迹光线，在当前对应光程下分别从前置波前面和后置波前面发射的两条光线的终点；
具体的实施方式中，获得一组新的待求解量的值的过程包括：
如公式(1)和公式(2)所示，点Ak i和Bk i分别表示前置波前面和后置波前面上追迹光线的起始点，对应的终点分别为PAk i和PBk i，此处求解的目标即使两个终点PAk i和PBk i为空间同一点，即两点的x,y,z坐标一致，由此可得到待求解量，坐标参数x和z，光程d应满足的方程，分别如公式(3)、公式(4)以及公式(5)所示；
xB＝xA+oplin·αA-(opl0-d-oplgrating)·αB (3)
zB＝zA+oplin·γA-(opl0-d-oplgrating)·γB (4)
上述公式中，opl0表示两个波前面之间的等光程量，也就是通过待求解曲面中心处的光线光程；oplgrating表示当待求解面为光栅时由光栅衍射带来PAk i点的额外光程量(对非光栅面而言这个值即为0)；(xA，yA，zA)和(xB，yB，zB)分别表示Ak i和Bk i在待求解面坐标系下空间坐标；(αA，βA，γA)和(αB，βB，γB)分别表示由面形偏导数矩阵获得的在Ak i和Bk i的出射光线单位方向矩阵。
S43、按照1：1的比例混合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；具体的，待求解量包括光程d和后置波前面上任一点的坐标值，后置波前面上任一点的坐标包括x，y，z三个参连，但是由于后置波前面面形已知，因此y坐标可由x和z坐标唯一确定；
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；
对于一组输入的待求解量的值，坐标参数x和z，以及光程d，将其带入上述方程(即公式(3)、公式(4)以及公式(5))的右侧，可以得到一组新的数值解，此时即可按照S43的步骤，混合输入解(即待求解量的初始值)和输出解(即待求解量的新获得的值)，从而更新输入解(即作为本轮计算的结果替换待求解量的初始值)；最后即可按照步骤S44的迭代循环过程获得最终的解。
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。
本发明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；通过使用粒子群算法实现了更好的全局寻优设计能力；通过使用特殊设计的迭代求解逻辑使得整个计算过程更为快速准确；本发明的设计方法对于折射、反射、衍射或混合光学系统都能适用。
以下结合具体实施例，对本发明的方案予以进一步详细说明。
对于一个光学系统，其最终目标是将从物面不同位置发出的光线经过整个光学系统后汇聚在像面上的指定位置；同时按照费马原理，理想光学系统中从同一个物点发出的任意方向光线聚焦在像面上的同一点，则这些光线的光程应该相等；通过引入波前面的概念(从物点或像点出发经过等光程量后光线终点组成的包络面)，理想光学系统的功能就变成了对入射波前的一系列调制以使最终在像点前获得一个汇聚的球面波前，如图1所示，光线从前置波前面上任一点沿该点处波前面的法线方向出发，经过一段相等光光学距离后应当与后置波前面交于一点，并且与后置波前面垂直与该交点处；同时由于光学系统的可逆性，理想光学系统中任一个光学曲面的作用就是将入射到该曲面的波前变换成理想的出射波前。
本发明具体实施例中，将自由曲面光学系统设计的目标转换为针对系统中每一个面型进行求解，以使它们能够将入射至该面的波前转换为从对应像点反向追迹到该面后的波前；因此，对于光学系统中单个自由曲面的优化设计，可以转换为如下步骤的求解：
对于一个已知但是待优化的自由曲面光学系统：
1)在系统中设定一系列的离散采样视场和波长，并按照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；
2)从确定的每一组共轭物象点双向追迹光线到待优化目标曲面上，并按照等光程原则确定前后波前面，通过最小二乘法拟合获得波前面表达式；
3)对于每一组共轭波前面，首先确定这两个面之间经过待优化曲面中心的一条参考光线，这条参考光线的光程信息将作为其他光线求解的参考；
4)对于构建波前面的双向追迹光线信息，选择其中波前面拟合残余误差均方根更小的波前面作为接受面，另一个误差均方根更大的面上的点的信息作为入射光线面，按照等光程以及光线垂直波前面的规则求解对应的在待求解自由曲面上的光线折转点坐标；在按照反射方程或衍射方程求解对应的法线信息；
5)针对所有共轭物象点所求解得到的待优化自由曲面上的特征点(步骤4中获得)，使用最小二乘法进行面型拟合获得一个新的自由曲面的描述；此外，求解光线正向光线追迹获得的距离理想像点的距离会被作为权重因子残余最小二乘法的面型拟合过程。
对于求解一组共轭波前面对应的特征点时，需要求解一个复杂的三元方程组。
本发明提出了一种迭代求解的方式替换传统的多元方程组求解方法，这种方法对于每条特征光线的求解是独立进行的，因此将以单一条光线为例进行求解过程描述，此求解过程的核心问题是求解光线起始点到转折点的光程d和后置波前面上的任一点坐标(x，y，z)，具体的求解步骤包括：
11)针对上述未知量，设置一个初始的求解值，初始对计算结果的影响基本可以忽略，一般可设光程初值为两个波前面之间等光程量的一半，坐标初值可设为后置波前面的中心；
22)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，与前置波前面上的已知点按相同方式确定的两个特征点做对比，按照如下方式获得一组新的待求解未知参量的值；
33)按照1：1的比例混合待求解量的原始值和新获得的值，作为本轮计算的结果替换原始值；
44)重复11)～33)步骤，直到步骤22)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。
具体的实施例中，如图2所示，(a)～(f)整体为单个待优化曲面的重建求解流程示意图，其中(a)～(c)表示待优化曲面的重建流程，(d)～(f)表示计算过程中的数值迭代求解逻辑。从图中可以看出，(a)示意出双向光线追迹构建单个视场在待优化曲面前后的共轭波前面组；(b)示意出构建所有采样视场和波长的共轭波前面组，并计算每组共轭波前面之间经过待优化曲面中心的特征光线；(c)示意出针对每一组共轭波前面，按照(b)中特征光线光程为参考计算一系列采样光线与待优化曲面的交点；(d)示意出设定待求解参数的初始值，包括前置波前面上采样点出射光线光程和后置波前面上光线终点坐标x和z；(e)示意出从共轭波前面组上双向追迹计算光线终点，计算两个终点空间坐标的差异；(f)示意出根据(e)中计算的终点之差对(d)中假定的初始解进行修正，重复(d)～(f)以获得最终收敛的解以及对应光线在待优化曲面上的特征点。
基于上述过程，可用于针对自由曲面中单个面型的优化求解过程，同时，本发明也采用一些其他的手段配合实现全部面型以及系统结构的优化求解；具体的实施方式中，本发明结合粒子群算法，在粒子群优化过程中同步进行多曲面联立迭代优化过程实现自由曲面系统结构、面型的合并优化设计，完整的流程图如图3所示；此图为优化设计的框架流程图，整个优化框架以粒子群算法作为整体优化框架，在粒子群算法的单论迭代过程中针对粒子代表结构进行曲面面形优化设计；粒子群算法对面形参数和结构参数进行优化，从而实现指定范围的参数全局寻优。
本发明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；通过使用粒子群算法实现了更好的全局寻优设计能力；通过使用特殊设计的迭代求解逻辑使得整个计算过程更为快速准确；本发明的设计方法对于折射、反射、衍射或混合光学系统都能适用。
相应地，根据本发明的实施例，本发明还提供了一种计算机设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图4为本发明实施例中提供的一种计算机设备12的结构示意图。图4示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性计算机设备12的框图。图4显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图4所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。
计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图4未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM、DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图4所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的自由曲面光学系统的设计方法。
本发明实施例中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，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时本申请所有发明实施例提供的自由曲面光学系统的设计方法。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现根据上述的自由曲面光学系统的设计方法。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (4)
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，按照等光程原则确定前后波前面，通过最小二乘法拟合获得波前面表达式；
S3、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，按照等光程以及光线垂直波前面的规则，采用迭代求解的方式求解对应的所述待优化的自由曲面上的特征点坐标，并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；
所述迭代求解的方式包括步骤：
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；
S42、根据等光程原理，从后置波前面上的假定交点沿假定交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；
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；
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，完成所述双向追迹光线的求解；
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的波前面拟合残余误差均方根。
3.一种计算机设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
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权利要求1至2中任一项所述的自由曲面光学系统的设计方法。
4.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1至2中任一项所述的自由曲面光学系统的设计方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310686277.3A CN116661139B (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 一种自由曲面光学系统的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310686277.3A CN116661139B (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 一种自由曲面光学系统的设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116661139A CN116661139A (zh) | 2023-08-29 |
| CN116661139B true CN116661139B (zh) | 2024-05-10 |
Family
ID=87709450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310686277.3A Active CN116661139B (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 一种自由曲面光学系统的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116661139B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0736959A (ja) * | 1993-07-15 | 1995-02-07 | Hitachi Ltd | 自由曲面光学系の設計方法 |
| CN110018566A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-07-16 | 钟祥博谦信息科技有限公司 | 自由曲面光学系统设计的方法、设备、系统及存储介质 |
| CN112748569A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-05-04 | 苏州大学 | 一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法 |
| CN114877995A (zh) * | 2021-02-05 | 2022-08-09 | 清华大学 | 自由曲面凹面光栅成像光谱仪的设计方法 |
| CN116149050A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-05-23 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 超大视场离轴反射式自由曲面光学系统初始结构设计方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105988213B (zh) * | 2015-02-05 | 2018-07-10 | 清华大学 | 自由曲面离轴光学系统的设计方法 |
| CN108227184B (zh) * | 2016-12-22 | 2020-01-07 | 清华大学 | 自由曲面成像光学系统的设计方法 |
| CN110133844B (zh) * | 2018-02-09 | 2020-09-08 | 清华大学 | 具有色散器件的自由曲面光学系统的设计方法 |
-
2023
- 2023-06-09 CN CN202310686277.3A patent/CN116661139B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0736959A (ja) * | 1993-07-15 | 1995-02-07 | Hitachi Ltd | 自由曲面光学系の設計方法 |
| CN110018566A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-07-16 | 钟祥博谦信息科技有限公司 | 自由曲面光学系统设计的方法、设备、系统及存储介质 |
| CN112748569A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-05-04 | 苏州大学 | 一种离轴头戴显示光学系统中自由曲面反射镜的设计方法 |
| CN114877995A (zh) * | 2021-02-05 | 2022-08-09 | 清华大学 | 自由曲面凹面光栅成像光谱仪的设计方法 |
| CN116149050A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-05-23 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 超大视场离轴反射式自由曲面光学系统初始结构设计方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 自由曲面成像光学系统的初始结构设计方法;许宁晏, 陈 露, 黄 静;《红外与激光工程》;20220228;第51卷(第2期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116661139A (zh) | 2023-08-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rybalkin et al. | FINN-L: Library extensions and design trade-off analysis for variable precision LSTM networks on FPGAs | |
| TWI539184B (zh) | 自由曲面成像系統的設計方法 | |
| CN110363810B (zh) | 建立图像检测模型的方法、装置、设备和计算机存储介质 | |
| Romijn et al. | Freeform lens design for a point source and far-field target | |
| CN111487766B (zh) | 自由曲面离轴三反成像系统的设计方法 | |
| Soltz et al. | Constraining the initial temperature and shear viscosity in a hybrid hydrodynamic model of s N N= 200 GeV Au+ Au collisions using pion spectra, elliptic flow, and femtoscopic radii | |
| CN114646932B (zh) | 基于外置雷达的雷达外参标定方法、装置和计算机设备 | |
| CN115423946B (zh) | 大场景弹性语义表征与自监督光场重建方法及装置 | |
| CN115238568A (zh) | 一种数字孪生模型构建方法、装置及终端设备 | |
| CN116661139B (zh) | 一种自由曲面光学系统的设计方法 | |
| CN115017805A (zh) | 基于双向a*算法的核退役场区最优路径规划方法及系统 | |
| Petters | Gravity’s action on light | |
| Ge et al. | Interactive simulation of scattering effects in participating media using a neural network model | |
| Ge et al. | Point2MM: Learning medial mesh from point clouds | |
| CN116661138B (zh) | 一种光栅光谱仪的光学设计方法 | |
| Xu et al. | Acceleration of shooting and bouncing ray method based on OptiX and normal vectors correction | |
| CN114818315A (zh) | 基于链表处理的平面光学系统仿真分析方法及设备 | |
| CN109613697B (zh) | 一种反射式非球面光学系统设计方法 | |
| CN114781233A (zh) | 有限元网格几何结构外形轮廓识别方法、设备及介质 | |
| ten Thije Boonkkamp et al. | Generalized Monge-Ampère equations for illumination freeform design | |
| CN102034251B (zh) | 一种镜头色散效果的生成方法 | |
| Zhao et al. | LLM-PQ: Serving LLM on Heterogeneous Clusters with Phase-Aware Partition and Adaptive Quantization | |
| Tang et al. | Parallel ray tracing through freeform lenses with NURBS surfaces | |
| CN111414572A (zh) | 射电星表与红外星表交叉证认方法、装置及可读存储介质 | |
| Hayford | Image forming design and analysis using python |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |