[发明专利]无限制像方场分布的表征方法

说明书

本发明提供无限制像方场分布的表征方法，用以计算包括孔径光阑和傅里叶透镜的光学系统的光强分布，光学系统的光线依次经过孔径光阑，通过傅里叶透镜达到焦平面和离焦面，计算方法包括如下步骤：计算孔径光阑面平面场分布的复振幅透过率；计算待测离焦面处的离焦因子；频域内计算复振幅透过率与离焦因子的傅里叶变换；计算待测离焦面的光强分布。在给定系统焦距、工作波长条件下，通过本发明中采用的像方弥散分布表征方法，即可求出任意形状、任意离轴量下的孔径光阑在任意离焦面的光强分布，从而分析任意孔径光阑，在任意离焦面下的强度变化情况。

技术领域

本发明涉及光学原理领域，尤其涉及无限制像方场分布的表征方法。

背景技术

准确计算像方空间光强分布对于光学设计的意义十分重大，通常孔径光阑成像遵守的是菲涅尔衍射理论。而传统的菲涅尔衍射理论仅仅适用于轴对称孔径光阑成像光学系统，例如圆形孔径、矩形孔径等，而且仅能计算焦平面处的能量分布，难以满足当前科技发展对普适性像方空间能量分布的计算，如自动对焦系统、超分辨系统、景深扩展系统等。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种新的基于标量衍射理论的任意孔径形状和任意离焦量下离焦像面光场强度分布的数值计算方法。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

无限制像方场分布的表征方法，用以计算光学系统的光强分布，光学系统包括孔径光阑和傅里叶透镜，光学系统中发射的光线依次经过孔径光阑，通过傅里叶透镜到达焦平面和离焦面，计算方法包括步骤：

S1、计算孔径光阑面平面场分布的复振幅透过率t(x,y)；

S2、计算待测离焦面处的离焦因子s(x,y)，离焦因子s(x,y)用下式表达为：

其中，f为焦距，Δz为离焦量，k为波矢，x、y为所述第一平面的坐标系上的坐标值；

S3、频域内计算复振幅透过率t(x,y)与离焦因子s(x,y)的傅里叶变换f(f_x,f_y)，傅里叶变换f(f_x,f_y)用下式表达为：

f(f_x,f_y)＝F{t(x,y)×s(x,y)} (2)；

S4、计算待测离焦面的光强分布I_z(x_z,y_z)，光强分布I_z(x_z,y_z)用下式表达为：

其中，A为入射光波振幅，λ为入射波波长。

进一步的，在步骤S1之前还包括步骤S0，步骤S0包括：

S0、获取光学系统的光学参数值：

光学系统包括垂直于光轴的第一平面和第二平面，第一平面经过傅里叶透镜的入射面与光轴的交点，第二平面经过傅里叶透镜的出射面与光轴的交点；

光学参数值至少包括：入射光波振幅A，入射波波长λ，焦距f，离焦量Δz，光阑面平面场分布U₀(x₀,y₀)，复振幅透过率t(x₀,y₀)，孔径光阑与傅里叶透镜的距离d₀，第一平面的平面场分布U_l(x,y)，第二平面的平面场分布U_l′(x,y)，待测离焦面的场分布U_z(x_z,y_z)。

进一步的，根据角谱理论得到第一平面的平面场分布U_l(x,y)满足下式的条件：