[发明专利]基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法

说明书

基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法，涉及光学仪器领域。解决现有多光路复合光学系统在设计与优化过程中，选取的初始结构对后续优化结果影响较大，且现有方法只能对单个系统的初始结构计算，无法实现多个光路的焦距分配与像差校正等问题，本发明利用主反射镜、薄透镜和平行平板的相关像差理论，完成了折反光路和两反光路的近轴像差公式的推导。建立了由光学系统结构布局约束条件、光焦度分配、近轴像差组成的多光路复合光学系统目标函数，并求解目标函数最优解的问题。实现初始结构的快速搜索。本发明的搜索方法具有良好的轴上像差校正特性，光机结构参数合理紧凑，适合多光路多焦距复合光学系统初始结构的建立和光学优化。

技术领域

本发明涉及多光路复合成像与探测技术领域，具体涉及一种基于近轴像差理论的多光路复合光学系统初始结构快速搜索方法。

背景技术

随着对目标多谱段综合测量与探测的需求不断提高，多波段复合光学系统慢慢成为远距离成像探测光学系统发展趋势。可见光系统可以提供高分辨率的目标图像，丰富目标细节信息。红外光学系统穿透能力较强，具备了较好的抗干扰能力，可以全天时工作。激光单色性好、方向性强、抗干扰能力强、信息容量大，是光学通信与测距的主要手段。多波段光学系统能通过对目标不同光学特性的测量，能够更好的反映出目标的光学特性，使探测与测量系统精度更加精确，提高光学系统综合探测与识别的能力。

同轴折反式光学系统由于其结构紧凑、加工检测装配简单而被广泛应用在多谱段多光路系统。而在光学系统设计与优化过程中，初始结构的选取对系统的后续优化及设计结果有非常大的影响。目前的相关方法只能针对单个系统的初始结构计算，无法实现多个光路的焦距分配与像差校正。由于不同谱段的探测需求不同，其焦距和视场等光学系统参数也有所不同。

为解决上述问题，我们提出了基于光机结构尺寸参数与近轴像差校正的初始结构搜索方法，建立了基于常规遗传优化算法的优化函数与边界条件，可实现具有良好轴上像差特性与光机结构参数的多光路复合光学系统初始结构的快速搜索。

发明内容

本发明为解决现有多光路复合光学系统在设计与优化过程中，选取的初始结构对后续优化结果影响较大，且现有方法只能对单个系统的初始结构计算，无法实现多个光路的焦距分配与像差校正等问题，提供一种基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法。

基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、基于多光路复合光学系统的光焦度分配方法，建立多光路光焦度分配优化函数分项；具体过程为：

所述多光路复合光学系统分为前端的折反光路和后端的反射光路，并对所述折反光路和反射光路的光焦度合理分配；获得反射光路的组合焦距和折反光路的组合焦距；

步骤二、基于近轴像差理论，将次镜等效为单个薄透镜和平行平板组合，获得反射光路与折反光路的近轴像差优化函数分项；具体过程为：

所述折反光路的光线经主镜反射后穿过次镜后会聚成像，所述单个薄透镜的球差为：

式中，α为次镜引起的主镜遮拦比，β为次镜的放大倍率，A为球差系数，n为次镜基底材料折射率，e₂为次镜的非球面系数，r₁、r₂分别为次镜右表面和左表面的曲率半径；

所述A＝A(α,β)，用下式表示为：

式中，R₁和R₂分别为主镜和次镜的反射表面曲率半径，

所述平行平板的球差公式为：