[发明专利]基于锤形优化的低失调敏感度三反望远镜设计方法

说明书

本发明涉及一种基于锤形优化的低失调敏感度三反望远镜设计方法，该方法通过建立包括系统设计产生的设计波像差以及安装失调产生的失调波像差的光学系统制造性能评估模型，将该评估模型编写为宏语言函数，作为系统的优化指标，以反射镜的曲率半径、二次系数和镜间距为优化变量，并设定镜间距变化范围，在光学设计软件Zemax中使用锤形优化功能调用深度受限搜索进行优化，实现低失调敏感度三反望远镜系统的设计。本发明的三反望远镜系统制造性能更好，提高了系统制造性能评估的准确性，而且本发明的设计方法不需要大量的光线追迹，只需要追迹近轴边缘光线和主光线即可完成，计算量小，时间短，优化速度快。

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，特别是涉及一种基于锤形优化的低失调敏感度三反望远镜设计方法。

背景技术

三反望远镜具有较大的成像视场，目前在天文观测、遥感等领域应用十分广泛。传统的三反望远镜系统设计方法一般从像差与光学结构参数出发，校正多种初级像差，得到具有良好像质的光学系统。但其往往公差过紧，系统的制造成本与加工、装配难度很大，系统抗扰动能力较弱。

基于以上问题，考虑设计出具有低装调敏感度的三反系统。目前光学系统的降敏方法主要有解析法和数值法。数值法应用较为普遍，它通常依赖于复杂的全局优化算法和大量的光线追迹过程来获得设计结果，主要包括整体优化法和光线入射角优化法。整体优化法通常的过程是基于初始结构构建多重结构，以模拟具有定量误差的光学系统的状态。通过全局优化功能来优化这组多重结构，去寻找一种最佳的设计方案。光线入射角优化法通过光学表面上具有代表性的光线(通常使用边缘光线)的入射角作为评估系统灵敏度的指标，同样通过全局优化功能来优化系统，达到低敏感度设计。解析法以像差理论为设计指导，对光学系统的整体性能进行优化设计。通常需要建立装调误差与其引起的波前差之间的量化解析关系，由此评估光学系统的制造性能，通过优化制造性能来实现低装调敏感度的设计。

传统的三反望远镜光学设计流程将系统性能优化和容差分配两个步骤隔离开来，光学设计优化过程不考虑由制造和装调误差引起的像质下降的影响，而仅追求最佳的设计性能。设计完成后，在进行公差分析时，其公差一般较为严格。严格的公差导致在光学系统的装调过程中，光学组件的装调误差会严重导致成像质量下降，性能退化严重。与软件设计出的性能相比，光学系统在投入使用后的良好性能更应该是光学设计人员所追求的最终目标。

发明内容

针对传统的三反望远镜光学设计方法没有同时考虑系统性能和装调误差影响，导致三反望远镜光学系统的装调敏感度较高的问题，本发明提出一种基于锤形优化的低失调敏感度三反望远镜设计方法，通过该方法设计得到的三反望远镜光学系统具有良好的像质与低装调敏感度。

针对三反望远镜系统，为解决上述问题，实现对其降失调敏感度的设计，本发明采取如下的技术方案：

一种基于锤形优化的低失调敏感度三反望远镜设计方法，包括以下步骤：

步骤一：建立光学系统制造性能评估模型，所述光学系统制造性能评估模型的表达式为：

其中，A为三反望远镜系统的制造性能；为设计波像差，表示在视场H中光学系统设计时产生的均方根波像差的值；为失调波像差，表示由视场H中的装调误差引起的均方根波像差的值；

步骤二：通过预估三反望远镜系统的公差范围给定所述光学系统制造性能评估模型中偏心值和倾角值，在视场H中选取计算波像差的视场点；

步骤三：将所述光学系统制造性能评估模型以宏语言函数的形式写入Zemax软件中，并求解出三反望远镜系统的失调波像差

步骤四：将全部所述视场点的波像差取平均值，得到三反望远镜系统的设计波像差

步骤五：将所述失调波像差和所述设计波像差代入到所述光学系统制造性能评估模型中；