[发明专利]基于加工公差约束的光学自由曲面棱镜面型参数优化方法

说明书

所属技术领域

本发明属于光学领域的光学自由曲面设计及制造技术领域，涉及一种光学自由曲面棱镜设计方法。

背景技术

随着光学设计理念及超精密加工技术的不断发展，光学自由曲面棱镜的应用已经引起了越来越多人的关注。他以体积小，结构轻并且能够拥有较大的视场而被广泛的应用到头盔显示器、娱乐视频眼镜、模拟仿真训练、外科手术等多个领域。鉴于自由曲面棱镜的众多优点，目前国内外很多机构针对光学自由曲面的设计开展了大量的研究工作。1996年，Canon公司率先提出光学自由曲面棱镜（Free-Form surface,FFS）结构；1999年，Olympus公司提出了视场角为57.8°×34.6°楔形自由曲面棱镜，但其出瞳相对较小，只有4mm。北京理工大学，上海理工大学等也提出了较大视场的光学自由曲面棱镜设计方法。

光学自由曲面棱镜设计是一个面型参数优化计算的过程。目前，主要分为两种方式进行求解：多参数优化,即先确定光学器件的初始结果，然后通过反复修改某些参数，往往计算过程较长；直接映射法，即在知道光源本身的光强分布和目标面照度分布的情况下，能够一气呵成的设计出所需的反射器或透镜，一般是将照明问题转化成对二阶非线性方程组的数值求解。目前，对于光学自由曲面的设计主要还是由多参数优化方法完成，而现有的光学设计和分析软件也均基于这种方式开发的。

在现有对光学自由曲面棱镜面型参数进行优化设计的方法中，未对加工公差进行详细分析，因此，容易造成设计方案具有相对较高的加工精度要求，以至于微量的加工误差都会对成像质量带来较大影响，使得设计方案在现有的加工条件下不能实现。针对现有设计方案中的问题，需要在设计最初就综合考虑加工公差，使得设计方案可适应公差所允许的范围，以确保加工后光学自由曲面棱镜的成像质量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够获取更为准确的光学自由曲面棱镜面型参数，提高设计精度，使得光学自由曲面棱镜的设计能够满足加工公差变化范围的面型参数优化方法。本发明在分析加工误差的基础上，找到影响光学自由曲面棱镜成像质量较大的误差源，从而对面型参数进行优化。本发明的技术方案如下：

1．一种基于加工公差约束的光学自由曲面棱镜面型数据优化方法，应用于光学自由曲面棱镜设计过程中，在初步设计时，首先依据实际的应用需求对光学自由曲面棱镜得到具有较佳的成像质量的棱镜面型参数和结构参数，以此作为初始面型参数和结构参数，再结合所确定的加工工艺的加工公差，确定棱镜结构参数的加工公差范围，得到每个结构参数变化的最大极限与最小极限；该面型参数优化方法包括下列步骤：

1)依次对每个初始的结构参数按照一定采样间隔进行公差范围的遍历，进行光学自由曲面棱镜结构的改变，得到一系列具有新结构的光学自由曲面棱镜系统，统计每个结构参数改变过程中MTF值的变化趋势；

2)由MTF值变化趋势确定影响成像质量较大的结构参数；

3)根据影响成像质量较大的结构参数变化的最大极限与最小极限，再得到一系列具有新结构参数的光学自由曲面棱镜系统，将这些新的系统作为变焦系统的成像位置，采用具有光学优化设计和分析的光学软件进行综合优化设计，通过调整棱镜曲面的面型参数，使各位置的成像质量达到最佳；

4)得到光学自由曲面棱镜最终的面型参数数据。

作为优选实施方式，本发明的光学自由曲面棱镜面型数据优化方法，第3）步中，在采用具有光学优化设计和分析的光学软件进行综合优化设计过程中，需要考虑对不同的具有新结构参数的光学自由曲面棱镜系统设置不同的优化权重值，而该过程中的权重需结合上述流程的第2）步的公差分析结果进行设定，其中影响成像质量较大的结构参数，优化权重值较大，反之则小。

本发明提及的光学自由曲面棱镜设计中采用的面型数据优化方法，综合考虑加工公差要求，避免了光学设计不能满足加工公差要求的可能性，从而保证了光学设计得到结果的可加工性。本发明提及的方法是一种普适的设计思路，不仅适合光学自由曲面棱镜设计，还能适合于其他光学自由曲面设计方法，因此，本发明具有很好的应用价值。