[发明专利]基于矢量像差理论的共轴自由曲面光学系统优化设计方法

说明书

本发明涉及一种共轴自由曲面光学系统优化方法，基于矢量像差理论模型，利用Zernike自由曲面前M项的像差耦合机制，建立Zernike自由曲面多项式和非球面系数对共轴自由曲面光学系统像差的优化模型，利用梯度下降法对Zernike自由曲面多项式系数和非球面系数进行求解，从而提高光学系统整体像质。这种新的方法从矢量像差理论的角度去完成光学系统的优化，有效解决了自由曲面优化变量过多带来的不收敛、优化效率差等问题。

技术领域

本发明属于光学领域中的光学自由曲面设计领域，特别是涉及一种基于矢量像差理论的自由曲面光学系统优化方法。

背景技术

随着光学成像系统逐渐向着小型化和轻量化发展，光学自由曲面已经逐渐成为了目前光学成像系统重要的组成部分。与球面和二次曲面相比，光学自由曲面拓展了成像系统的设计自由度，提升了系统整体的像差平衡能力，在光学成像系统中发挥着越来越重要的作用。同时随着超精密加工技术和光学面形检测技术的快速发展，光学自由曲面在不同领域的成像系统中得到了应用。

由于光学自由曲面中可供优化的变量远远多于其它传统的光学表面，因此，在光学自由曲面成像系统中，往往通过对自由曲面的变量进行优化，提高光学成像系统的整体像质。

目前，对于光学自由曲面的优化设计，国内外主要是依靠光学软件中的阻尼最小二乘算法进行自动优化设计，对于这种优化设计方法，对于优化变量很多的自由曲面而言，往往优化效率比较低。当借助光学软件对于光学成像系统进行优化时，往往将自由曲面的系数等参数设置为优化变量，通过改变自由曲面的参数来提高系统像质。但是对于优化变量很多的自由曲面来说，借助光学软件的自动优化无法充分利用自由曲面中的变量，导致优化效率低下、提高像质不明显等问题。

发明内容

本发明针对此问题，提供了一种基于矢量像差理论的共轴自由曲面光学系统优化设计的方法，通过矢量像差理论建立非光阑处的Zernike前M项的像差耦合机制，建立Zernike自由曲面多项式系数对共轴自由曲面光学系统的优化模型，提高系统的整体像质。

本发明的技术方案如下：

对于共轴自由曲面光学系统，对于处于非光阑处的自由曲面，采用

Zernike多项式进行表征，基于矢量像差理论，将Zernike自由曲面多项式前M项和非球面系数产生的光学系统像差进行定量化描述，将Zernike自由曲面多项式前M项和非球面系数产生的各类像差和光学系统原本存在的像差进行叠加后，得到添加Zernike自由曲面多项式前M项和非球面系数后的光学系统像差表达式，其中M≥4。

通过光学系统像差表达式建立像差优化的目标评价函数，该目标评价函数是光学系统波像差展开的前A项Zernike像差项的全部视场像差系数平均值的平方和以及展开的前B项Zernike像差项的全部视场像差系数均方根的平方和构成，其中，A≥4，B≥4。

借助梯度下降算法，根据目标评价函数，得到目标评价函数的梯度，设置初始Zernike自由曲面前M项多项式系数和梯度下降的步长，对像差优化的目标评价函数进行最小值迭代求解，提取使目标评价函数最小化的Zernike自由曲面的前M项多项式系数值和非球面系数值。

将求解出的Zernike自由曲面前M项多项式系数和非球面系数带入自由曲面表达式中，达到提高光学系统的整体像质的目的。

本发明的优点和积极效果