一种视场像差稳定性高的光学设计方法

本发明涉及光学设计领域，尤其涉及一种视场像差稳定性高的光学设计方法。

背景技术：

1、目前，传统的光学设计方法注重光学系统的成像质量，比如点列图半径优化方法、波像差优化方法等。传统方法设计的镜头对物面细节具有很高的分辨能力，但像差随视场变化明显，一般小视场成像清晰，大视场下的像差较大，并且像差种类各不相同，一般中心视场像差主要由球差和轴上色差构成，而边缘视场下的畸变、彗差的影响会更大。目前大多数相机都搭载了图像信号处理(image signal processing，以下简称isp)算法，部分相机可能还要用来执行图像识别、图像恢复等机器视觉任务。像差在各视场上分布不均，会使得图像模糊程度、模糊类型随空间坐标变化明显，这会加重后续图像算法的计算压力，也不利于后续机器视觉任务的完成。

技术实现思路

1、针对现有技术中光学系统像差在各视场下分布不均的不足，本发明提出一种视场像差稳定性高的光学设计方法，该方法可以优化设计出成像质量在视场上高度均匀的成像系统，更满足均匀成像和机器视觉任务需要。

2、具体技术方案如下：

3、一种视场像差稳定性高的光学设计方法，包括以下步骤：

4、s1：设置光学系统的系统参数和初始镜片结构参数；

5、s2：根据系统参数和初始镜片结构参数，计算全视场特征采样点下的点列图半径方差s2、各视场下点扩散函数与中心视场点扩散函数的结构相似度ssimi；

6、s3：计算多目标评价函数的值，表达式如下：

7、

8、式中，w1、w2、w3为设定的权重系数，且每次迭代时不发生改变；fconst为光线追迹限制和成像质量限制决定的评价函数，i为视场编号；

9、若多目标评价函数的值小于历史最小多目标评价函数值，则更新最优镜片结构参数为本次迭代对应的镜片结构参数；反之则不更新镜片结构参数；

10、s4：判断是否达到循环结束条件，若不满足，则使用最小二乘法更新镜片结构参数，并执行s2、s3进行迭代；反之则停止循环，并输出最优镜片结构参数。

11、进一步地，所述s1中，系统参数包括：工作波段、工作视场以及镜头孔径大小。

12、进一步地，所述s1中，镜片结构参数包括：表面半径、表面间距、镜片材料。

13、进一步地，所述s2中，全视场特征采样点下的点列图半径方差s2的计算表达式如下：

14、

15、式中，h表示视场的水平坐标，hm表示最大的水平坐标值；v表示视场的竖直坐标，vm表示最大的竖直坐标值；rh,v是对应视场下的均方根点列图半径值，是对应视场下的均方根点列图半径均值。

16、进一步地，所述s2中，各视场下点扩散函数与中心视场点扩散函数的结构相似度ssimi的计算表达式如下：

17、

18、式中，μi是第i个视场点扩散函数的平均值，μ0是中心视场点扩散函数的平均值，是第i个视场点扩散函数的方差，是中心视场点扩散函数的方差，σi0是第i个视场和中心视场点扩散函数的协方差；c1＝(k1l)2，c2＝(k2l)2，c1和c2均是用于维持稳定的常数；l是像素值的动态范围。

19、进一步地，所述s4中，循环结束条件为：是否达到迭代次数；若迭代次数小于设置的最大迭代次数，则不满足循环结束条件；反之则满足循环结束条件。

20、进一步地，所述s4中，循环结束条件为：多目标评价函数的值是否在设定阈值之内；若大于设定阈值，则不满足循环结束条件，反之则满足循环结束条件。

21、本发明的有益效果是：

22、(1)本发明所提供的视场像差稳定性高的光学设计方法，提升了光学系统空间成像稳定性；不需要复杂的像差模型计算，减少人力成本和计算机算力需求；采用方差和结构相似度双重指标，使结果更精确；使用最小二乘法进行迭代，避免了局部最小值。

23、(2)本发明初始结构为反射、投射结构均可，优化方法具有一定普适性。

技术特征：

1.一种视场像差稳定性高的光学设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的视场像差稳定性高的光学设计方法，其特征在于，所述s1中，系统参数包括：工作波段、工作视场以及镜头孔径大小。

3.根据权利要求1所述的视场像差稳定性高的光学设计方法，其特征在于，所述s1中，镜片结构参数包括：表面半径、表面间距、镜片材料。

4.根据权利要求1所述的视场像差稳定性高的光学设计方法，其特征在于，所述s2中，全视场特征采样点下的点列图半径方差s2的计算表达式如下：

5.根据权利要求1所述的视场像差稳定性高的光学设计方法，其特征在于，所述s2中，各视场下点扩散函数与中心视场点扩散函数的结构相似度ssimi的计算表达式如下：

6.根据权利要求1所述的视场像差稳定性高的光学设计方法，其特征在于，所述s4中，循环结束条件为：是否达到迭代次数；若迭代次数小于设置的最大迭代次数，则不满足循环结束条件；反之则满足循环结束条件。

7.根据权利要求1所述的视场像差稳定性高的光学设计方法，其特征在于，所述s4中，循环结束条件为：多目标评价函数的值是否在设定阈值之内；若大于设定阈值，则不满足循环结束条件，反之则满足循环结束条件。

技术总结本发明公开了一种视场像差稳定性高的光学设计方法，包括：设置光学系统的系统参数和初始镜片结构参数；计算全视场特征采样点下的点列图半径方差、各视场下点扩散函数与中心视场点扩散函数的结构相似度，并据此计算多目标评价函数的值，若多目标评价函数的值小于历史最小多目标评价函数值，则更新最优镜片结构参数为本次迭代对应的镜片结构参数，反之则不更新镜片结构参数；判断是否达到循环结束条件，若不满足，则使用最小二乘法更新镜片结构参数，并重复迭代步骤；反之则停止循环，并输出最优镜片结构参数。本发明提升了光学系统空间成像的稳定性。技术研发人员：白剑,孟德霄,石润州受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13