[发明专利]基于波像差理论的鱼眼镜头光学系统优化设计方法

说明书

本发明涉及光学系统的优化设计技术领域，且公开了基于波像差理论的鱼眼镜头光学系统优化设计方法，应用平面对称光学系统波像差理论对鱼眼镜头的初始结构进行计算，获得系统的波像差及其孔径像差分量和色差；评价函数将所述波像差和所述孔径像差分别在光束覆盖的区域范围内进行积分求和；通过自适应归一化实数编码遗传算法发展在Matlab环境下的优化设计程序；在Zemax中对优化前后的系统进行建模分析，通过调制传递函数曲线以及全视场点列图的比对来验证优化的结果；本发明基于平面对称光学系统波像差理论开展的鱼眼镜头光学系统优化方法，波像差表达式简洁清晰，可以运用于具有平面对称特性的各类超大视场成像光学系统。

技术领域

本发明涉及光学系统的优化设计技术领域，具体为基于波像差理论的鱼眼镜头光学系统优化设计方法。

背景技术

鱼眼镜头是一种比较特殊的光学系统，其成像的视场角大小可以达到180°甚至270°，因此它能够将半球空间内，甚至超半球空间范围内的所有物体在其像面上完整地获取成像。由于其成像视场角极大，基于鱼眼镜头光学系统制作的镜头和图像采集设备不需要依赖物理旋转或者扫描就能观察记录海量的信息。它的这一成像性能使其具备了能够胜任其他光学系统所不能实现的工作，例如特殊摄影、安保监控、医疗器械等场合，在国防和军事领域也扮演着极其重要的角色。

5G时代的到来与人工智能的日益发展，使得鱼眼镜头系统获得了更多的舞台。但鱼眼镜头结构复杂，元件设计加工繁琐，传统的光学理论对设计超大视场光学系统有着很大的局限，使得其优化设计工作也变得难以实现。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了基于波像差理论的鱼眼镜头光学系统优化设计方法，具备成像质量较好的鱼眼镜头光学系统的优点，解决了优化设计工作难以实现的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于波像差理论的鱼眼镜头光学系统优化设计方法，包括以下步骤：

S1：应用平面对称光学系统波像差理论对鱼眼镜头的初始结构进行计算，获得系统的波像差及其孔径像差分量和色差；

S2：评价函数将所述波像差和所述孔径像差分别在光束覆盖的区域范围内进行积分求和；

S3：通过自适应归一化实数编码遗传算法发展在Matlab环境下的优化设计程序，对各个光学元件参量在一定范围内进行搜索，获得最优选的鱼眼镜头优化参量；

S4：在Zemax中对优化前后的系统进行建模分析，通过调制传递函数曲线以及全视场点列图的比对来验证优化的结果。

优选的，所述平面对称光学系统的面形一般形式为：

优选的，所述平面对称光学系统四阶波像差，面形方程需要关于x，y进行泰勒级数四阶展开，其具体表达式为：

z＝c₂₀x²+c₀₂y²+c₃₀x³+c₁₂xy²+c₄₀x⁴+c₀₄y⁴+c₂₂x²y²，

在上式中，c_ij为面形系数：光学面为超环面，表达式为：

上式中R、ρ分别是超环面的主半径和次半径；当光学面为球面时，R＝ρ。

优选的，所述平面对称光学系统的波像差分为由物方光束和像方光束两部分贡献，所述波像差的级数形式可以表示为