针对玻塑混合镜头中玻璃非球面制造公差的主动补偿方法

本发明属于镜头装配领域中的一种主动补偿方法，具体涉及了一种针对玻塑混合镜头中玻璃非球面制造公差的主动补偿方法。

背景技术：

1、在实际光学成像系统的设计过程中，为了尽可能减少像差带来的像质退化，会设置不同的评价函数，通过改变镜片的面型、材料等参数在满足设计目标的前提下尽可能校正各类单色像差与色差。

2、近年来，移动端成像设备呈现出明显的轻量化与小型化趋势。为了实现成像设备整体高度的降低和体积的压缩，光学设计师们开始选择引入非球面镜片。由于加工工艺和成本的限制，大多数手机模组中的非球面都是塑料材质。但是随着手机摄影的进一步普及，人们对于手机镜头的成像质量要求逐步提高，塑料非球面镜片的成像质量由于材质的限制开始无法满足人们的需求。于是，一些手机厂商开始尝试用一片玻璃镜片替换原本两片塑料镜片。玻璃材料相比塑料有更成熟的镀膜工艺，可以进一步减少眩光和鬼像。同时，玻璃材料折射率广，色散系数选择空间大，对于解决诸如镜头边缘像差的问题的优势更大。此外，用一片玻璃镜片替换多片塑料镜片还可以进一步压缩成像模组的体积。但是由于加工成本限制，玻璃非球面的制造误差总是大于塑料非球面，从而导致实际带公差镜头的成像质量下降。但是批量生产过程中，分别对每片镜片进行公差测量是不实际的，因此如何快速获取镜头的公差值成为了一个亟待解决的问题。

3、此外，为了补偿制造公差导致的像质退化，只能尝试在装配过程中调整部分镜片或探测器的位置。最常见的装配补偿方法是调整像面。2022年，wu等学者提出了一种基于恒星图像的机器学习对准方法，通过调整像面的位姿补偿望远镜系统在工作过程中出现的像质退化。此外，调整成像系统的部分镜片的位姿也可以实现成像质量的提升，但是由于改变镜片的位姿会直接影响最终的成像结果，因此现有的补偿方法需要进行多次迭代才能计算得到最佳补偿位姿，消耗的时间成本难以满足实际批量生产的需求。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的技术问题，针对批量生产过程中玻塑混合镜头公差难以逐一测量，玻璃非球面制造公差大导致像质退化严重，且装配补偿过程中计算最佳补偿位姿时所需时间成本高的问题，本发明提出了一种针对玻塑混合镜头中玻璃非球面制造公差的装配补偿方法。本发明通过构建可微分的点扩散函数仿真模型，结合实际拍摄得到的带公差镜头的点扩散函数图像，对公差进行预测；接着将公差加入理想设计中，通过链式法则反向计算损失函数对于非球面玻璃镜片位姿参量的梯度，并进行更新，最终快速收敛到最佳补偿位置，实现公差镜头像质的提升。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、s1：构建第一带公差玻塑混合镜头，获取第一带公差玻塑混合镜头在不同视场位置的真实点扩散函数图像；

4、s2：基于第一带公差玻塑混合镜头的设计参数构建点扩散函数仿真模型；

5、s3：利用点扩散函数仿真模型预测获得仿真点扩散函数图像，接着计算真实点扩散函数图像和仿真点扩散函数图像之间的均方误差并作为损失函数，再利用损失函数对点扩散函数仿真模型中的公差进行更新后，获得最终的预测公差以及预测点扩散函数图像；

6、s4：基于第一带公差玻塑混合镜头的设计参数和预测公差构建第二带公差玻塑混合镜头，接着计算预测点扩散函数图像和不含公差的玻塑混合镜头的点扩散函数图像的均方误差并作为损失函数，再利用损失函数对第二带公差玻塑混合镜头的位姿进行更新，获得最佳的补偿位姿；

7、s5：根据最佳的补偿位姿对第一带公差玻塑混合镜头中玻璃非球面镜片的位姿进行调整，从而完成公差的主动补偿。

8、所述当第一带公差玻塑混合镜头的设计参数中包含公差时，则不含公差的玻塑混合镜头的设计参数与第一带公差玻塑混合镜头中除了公差以外的设计参数相同；

9、当第一带公差玻塑混合镜头的设计参数中不包含公差时，则不含公差的玻塑混合镜头的设计参数与第一带公差玻塑混合镜头的设计参数相同。

10、所述s2具体为：

11、s21：将第一带公差玻塑混合镜头的设计参数作为初始化参数并输入到点扩散函数仿真模型中；

12、s22：在点扩散函数仿真模型上开始逐面计算光线与面型的交点以及折射后的方向余弦，直到最后一面型，获得所有面型中光线与面型的交点以及折射后的方向余弦；

13、s23：基于所有面型中光线与面型的交点以及折射后的方向余弦，在像面上进行光线的相干叠加，获得不同波段、不同视场位置的点扩散函数；

14、s24：对不同波段的点扩散函数进行线性相加，获得三通道的仿真点扩散函数图像。

15、所述s3中，利用损失函数对点扩散函数仿真模型中的公差进行更新后，获得最终的预测公差以及预测点扩散函数图像，具体为：

16、首先利用链式法则计算损失函数对于点扩散函数仿真模型中各面型公差项的梯度，接着根据梯度和学习率选择优化器后再利用优化器进行公差的更新，使得公差在预设误差之内，获得最终的预测公差以及预测点扩散函数图像。

17、所述s4中，利用损失函数对第二带公差玻塑混合镜头的位姿进行更新，获得最佳的补偿位姿，具体为：

18、首先利用链式法则计算损失函数对于第二带公差玻塑混合镜头中非球面玻璃镜片六个位姿变量的梯度，接着基于该梯度进行位姿的更新，从而获取最佳的补偿位姿。

19、所述s1中，获取第一带公差玻塑混合镜头在不同视场位置的真实点扩散函数图像的方法包括：

20、在黑色背景板上安装led灯，再将第一带公差玻塑混合镜头固定在黑色背景板上并进行对焦和拍摄后，获取第一带公差玻塑混合镜头在不同视场位置对应的真实点扩散函数图像。

21、所述s3中，损失函数的计算公式为：

22、

23、其中，lmse为均方误差损失函数，n为视场总数，c为视场编号，psfc为第一带公差玻塑混合镜头的第c个视场的真实点扩散函数图像，为通过点扩散函数仿真模型仿真得到的第c个视场的仿真点扩散函数图像。

24、所述s3中，预测公差包括每个面型绕x、y和z轴的倾斜、在x和y方向上的偏心、在z方向上的厚度、曲率半径公差、材料的折射率公差和阿贝数公差。

25、所述s4中，位姿包括各非球面玻璃镜片对应的六个位姿变量，分别为每个非球面玻璃镜片沿x、y和z轴的平移量以及绕x、y和z轴的旋转量。

26、所述s5具体为：

27、利用六轴机械手调整非球面玻璃镜片的位姿至最佳的补偿位姿处；然后固化非球面玻璃镜片，完成对整体镜头模组的组装，实现公差的主动补偿。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

29、(1)本发明提出的主动补偿方法可以通过拍摄得到的不同视场的点扩散函数进行制造公差的预测，不需要逐一测量带公差玻塑混合镜头各镜片的制造公差；

30、(2)本发明的主动补偿方法可以通过调整非球面玻璃镜片的位姿实现对制造公差带来的像质退化的补偿，从而实现成像质量的提升；

31、(3)本发明在主动补偿过程中计算速度快，成本消耗低。