[发明专利]一种基于高斯径向基函数曲面的成像系统设计方法

说明书

本发明公开了一种基于高斯径向基函数曲面的成像系统设计方法。本发明以视场比需求值小的光学系统作为设计起点，然后逐步增大视场，基于“视场扩展，高斯延拓”的思路，新的高斯函数随着视场的扩展依次添加到曲面边缘，逐步扩展曲面尺寸，通过渐进式优化得到最终满足设计指标的成像系统。本发明方法简单，易于实现，特别适用于大视场成像光学系统设计。本发明为实际成像系统运用高斯径向基函数曲面提供便利，且方便简便、适用性强，对于各种应用、各种系统结构的自由曲面成像系统，都可以用此方法，从一个简单的系统为起点，逐步完成系统设计。

技术领域

本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种基于高斯径向基函数曲面的成像系统设计方法。

背景技术

自由曲面相对于传统的球面或非球面可为光学设计提供更多的自由度，进而可以大大提升系统成像质量，并可使系统结构更灵活、元件数量更少、体积更小、质量更轻。因此，自由曲面被认为是光学设计领域的一次革命性的发展。基于高斯函数构成的曲面是一类自由曲面，其在光学设计中具有一些优良特性。首先，高斯函数是光滑且连续的，具有任意阶导数。这个特性有利于光线追迹。其次，高斯函数的傅里叶变换是其本身，这在功率谱密度函数的计算中具有重要意义。第三，高斯函数具有局部性。在距离中心位置三倍标准差以外的高斯函数的函数值非常小，可以近似为零，从而使单个高斯函数仅在有限区域内有函数值，表现出局部性。这一特性使得高斯函数在光学设计中有利于实现局部面形控制。然而，现有的使用高斯函数进行成像光学系统设计的方法较少，大多是在已有系统基础上依靠曲面拟合后直接进行优化，且并未涉及到高斯函数数量的增减，系统参数并未改变，并未充分利用到高斯函数的局部性质，不适用于从系统参数较低的系统为起点开展系统参数较高(如大视场)的系统设计。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于高斯径向基函数曲面的成像系统设计方法，新的高斯函数随着视场的扩展依次添加到曲面边缘，逐步扩展曲面尺寸，为将高斯径向基函数曲面应用于自由曲面成像系统，尤其是大视场成像光学系统的设计提供了一种有效、简便的方式。

本发明的基于高斯径向基函数曲面的成像系统设计方法，包括如下步骤：

步骤1，设计或直接采用现有的与目标成像系统结构接近或类似的成像系统，作为初始结构；

步骤2，对步骤1获得的成像系统进行预处理，使其满足一部分目标成像系统的设计指标；

步骤3，将预处理后的成像系统的曲面类型转换成高斯径向基函数曲面，高斯径向基函数的行数、列数、高斯间距以及标准差根据经验确定，得到新的成像系统；

步骤4，对当前成像系统进行成像质量评价，并基于成像质量进行成像系统参数优化；

步骤5，对步骤4优化后的成像系统，判断其视场角是否达到要求，若达到要求，则完成成像系统设计，当前成像系统即为所求；若未达到要求，则在高斯径向基函数曲面边缘增加高斯径向基函数，并进行高斯延拓判据I判断，即判断曲面是否满足|l_fg-l_mr|A，若不满足，则继续在曲面边缘增加高斯径向基函数，直到满足高斯延拓判据I，然后返回步骤4；其中，l_fg为当前最远高斯径向基函数与子午线或弧矢线之间的距离，l_mr为边缘视场的边缘光线沿着视场扩展方向在XOY面上的投影坐标和中心视场主光线沿着视场扩展方向在XOY面上的投影坐标之差的绝对值，A为设定的阈值。

较优的，所述步骤2中，预处理包括：对步骤1获得的成像系统进行缩放、将某个曲面设为光阑面、将某方向视场角调整为与目标视场角一致。

较优的，所述步骤4中，将各镜面的偏心和倾斜、基底球面半径和二次曲面系数、各曲面的高斯径向基函数权重系数或多项式系数设为变量参与优化。

较优的，所述阈值A取0.5σ，所述σ为高斯径向基函数标准差。