一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法及系统

本发明涉及成像光学，尤其涉及一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法及系统。

背景技术：

1、非球面的应用为光学设计带来了极大的便利，提供了更多的优化自由度，设计师往往可以使用更少的非球面玻璃数量达到更高的成像质量。但是非球面的引入对加工和装调带来了更大的挑战，往往具有良好成像性能的系统无法加工或很难装调，限制了非球面的进一步工程化应用。降低非球面公差灵敏度是提高非球面可加工性和降低装调难度的有效途径，但一般优化过程与公差分析过程是分离的，在优化过程中用户无法控制优化方向，使之朝着兼顾成像性能和公差灵敏度前进。

2、当前技术主要分为两类：一类是基于波前微分算法，预测出了引入非球面公差后系统的波前rms变化，将其乘一定权重后加入误差函数中，以此达到兼顾成像性能和公差灵敏度的效果，但其优化效果依赖于其权重大小的选择，用户往往会因为权重问题难以达到所需的成像性能。另外一类是通过控制采样光线的入射角来达到高良率的目的，但这种方法只是基于传统经验，控制入射角的原因缺乏理论支撑。

3、为了克服这些缺陷，本申请提出了一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法。基于高阶像差理论，预测引入非球面公差后的波像差变化情况，添加到误差函数上，以达到快速计算，兼顾系统性能和公差灵敏度的效果。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法及系统，旨在解决上述的问题。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

3、本申请提供一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法，包括：

4、获取数据参数，其中所述数据参数是根据近轴光线追迹得到的；

5、基于所述数据参数和像差理论，计算未添加公差扰动时光学系统的各项像差系数；

6、在所述像差系数中引入公差扰动，计算非球面公差扰动导致的像差变化；

7、将所述像差变化添加到误差函数上进行优化，以降低非球面公差的灵敏度，其中所述误差函数为所述光学系统的波像差与所述非球面公差扰动两者的平方根。

8、进一步的，在基于所述数据参数和像差理论，计算未添加公差扰动时光学系统的各项像差系数的步骤中，具体包括下述步骤：

9、计算非球面盖的四阶球差与光瞳球差；

10、计算六阶像差系数的本征像差；

11、计算六阶像差系数的衍生像差。

12、进一步的，在计算非球面盖的四阶球差与光瞳球差的步骤中，具体包括下述步骤：

13、在所述像差理论中，将非球面分解为一个基底球面和一个无光焦度的非球面校正板的组合，且两者间隔为0；根据球差得到：

14、

15、

16、其中为所述非球面盖的四阶球差，为非球面盖的光瞳球差，δ(n)为出射和入射介质的折射率之差，y和分别为所述近轴光线追迹得到的边缘光线像高和主光线像高。

17、进一步的，在计算六阶像差系数的本征像差的步骤中，具体包括下述步骤：

18、当非球面位于光阑上时，公式为：

19、

20、其中u为所述近轴光线追迹得到的边缘光线孔径角，r为基底球面的曲率半径；

21、当光阑移动时，公式为：

22、

23、其中w060i为非球面盖引入的本征像差，ψ为拉格朗日不变量；

24、计算六阶非球面项产生的六阶本征像差，公式为：

25、

26、进一步的，在计算六阶像差系数的衍生像差的步骤中，具体包括下述步骤：

27、所述衍生像差为前后光学系统的光瞳不匹配产生的像差，其表达式为：

28、

29、其中wa(h,ρ)为前一个光学系统的像差，为后一个光学系统的光瞳像差；

30、非球面的衍生像差分为两种：球面基底与非球面盖光瞳不匹配产生的衍生像差，以及将其作为一个整体以后前后系统光瞳不匹配产生的衍生像差；

31、针对前一种，其表达式为：

32、

33、针对后一种，其表达式为：

34、

35、根据上述得到四阶非球面影响的六阶像差。

36、进一步的，在所述像差系数中引入公差扰动，计算非球面公差扰动导致的像差变化的步骤中，具体包括下述步骤：

37、引入非球面系数变化δa和δb，则四阶球差和光瞳球差的变化为：

38、

39、

40、δa导致的六阶本征像差变化为：

41、

42、另外

43、

44、得到：

45、δa导致的两种六阶衍生像差变化分别为：

46、

47、

48、δb导致的衍生像差变化为：

49、

50、本申请提供一种基于像差理论的光学非球面降敏优化系统，包括：

51、获取模块：获取数据参数，其中所述数据参数是根据近轴光线追迹得到的；

52、计算模块：基于所述数据参数和像差理论，计算未添加公差扰动时光学系统的各项像差系数；在所述像差系数中引入公差扰动，计算非球面公差扰动导致的像差变化；

53、优化模块：将所述像差变化添加到误差函数上进行优化，以降低非球面公差的灵敏度，其中所述误差函数为所述光学系统的波像差与所述非球面公差扰动两者的平方根。

54、本申请提供一种设备，所述设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，所述存储器存储有用于实现一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以实现一种基于像差理论的光学非球面降敏优化。

55、本申请提供一种存储介质，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法。

56、本申请提供了一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法及系统，具有以下有益效果：

57、(1)本申请基于高阶像差理论进行误差来源的分析，反映出每种像差系数的变化，同时利用像差理论不仅可以计算得到非球面系数扰动后波前变化，而且可以得到各种像差的变化，从而方便用户有针对性地进行校正处理；

58、(2)本申请只需执行额外两次近轴光线追迹，追迹一条边缘光线和主光线，计算像差变化时的公式为解析形式，提高在计算机上的计算效率。

技术特征：

1.一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法，其特征在于，在基于所述数据参数和像差理论，计算未添加公差扰动时光学系统的各项像差系数的步骤中，具体包括下述步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法，其特征在于，在计算非球面盖的四阶球差与光瞳球差的步骤中，具体包括下述步骤：

4.根据权利要求2所述的一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法，其特征在于，在计算六阶像差系数的本征像差的步骤中，具体包括下述步骤：

5.根据权利要求1所述的一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法，其特征在于，在计算六阶像差系数的衍生像差的步骤中，具体包括下述步骤：

6.根据权利要求1所述的一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法，其特征在于，在所述像差系数中引入公差扰动，计算非球面公差扰动导致的像差变化的步骤中，具体包括下述步骤：

7.一种根据权利要求1所述的一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法的系统，其特征在于，包括：

8.一种设备，其特征在于，所述设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，所述存储器存储有用于实现权利要求1-6任一项所述的一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以实现一种基于像差理论的光学非球面降敏优化。

9.一种存储介质，其特征在于，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行权利要求1-6任一项所述的一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法。

技术总结本申请公开了一种基于像差理论的光学非球面降敏优化方法及系统，运用于成像光学技术领域，其方法包括：获取数据参数，其中所述数据参数是根据近轴光线追迹得到的；基于所述数据参数和像差理论，计算未添加公差扰动时光学系统的各项像差系数；在所述像差系数中引入公差扰动，计算非球面公差扰动导致的像差变化；将所述像差变化添加到误差函数上进行优化，以降低非球面公差的灵敏度，其中所述误差函数为所述光学系统的波像差与所述非球面公差扰动两者的平方根；本申请实现了快速计算、收敛，兼顾系统性能和公差灵敏度的效果。技术研发人员：张新,张纪鹏,黄禹淇,赵尚男,史广维,吴洪波受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/29