基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法技术方案

基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法，涉及光学仪器领域。解决现有多光路复合光学系统在设计与优化过程中，选取的初始结构对后续优化结果影响较大，且现有方法只能对单个系统的初始结构计算，无法实现多个光路的焦距分配与像差校正等问题，本发明专利技术利用主反射镜、薄透镜和平行平板的相关像差理论，完成了折反光路和两反光路的近轴像差公式的推导。建立了由光学系统结构布局约束条件、光焦度分配、近轴像差组成的多光路复合光学系统目标函数，并求解目标函数最优解的问题。实现初始结构的快速搜索。本发明专利技术的搜索方法具有良好的轴上像差校正特性，光机结构参数合理紧凑，适合多光路多焦距复合光学系统初始结构的建立和光学优化。

【技术实现步骤摘要】
基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法
本专利技术涉及多光路复合成像与探测
，具体涉及一种基于近轴像差理论的多光路复合光学系统初始结构快速搜索方法。
技术介绍
随着对目标多谱段综合测量与探测的需求不断提高，多波段复合光学系统慢慢成为远距离成像探测光学系统发展趋势。可见光系统可以提供高分辨率的目标图像，丰富目标细节信息。红外光学系统穿透能力较强，具备了较好的抗干扰能力，可以全天时工作。激光单色性好、方向性强、抗干扰能力强、信息容量大，是光学通信与测距的主要手段。多波段光学系统能通过对目标不同光学特性的测量，能够更好的反映出目标的光学特性，使探测与测量系统精度更加精确，提高光学系统综合探测与识别的能力。同轴折反式光学系统由于其结构紧凑、加工检测装配简单而被广泛应用在多谱段多光路系统。而在光学系统设计与优化过程中，初始结构的选取对系统的后续优化及设计结果有非常大的影响。目前的相关方法只能针对单个系统的初始结构计算，无法实现多个光路的焦距分配与像差校正。由于不同谱段的探测需求不同，其焦距和视场等光学系统参数也有所不同。为解决上述问题，我们提出了基于光机结构尺寸参数与近轴像差校正的初始结构搜索方法，建立了基于常规遗传优化算法的优化函数与边界条件，可实现具有良好轴上像差特性与光机结构参数的多光路复合光学系统初始结构的快速搜索。
技术实现思路
本专利技术为解决现有多光路复合光学系统在设计与优化过程中，选取的初始结构对后续优化结果影响较大，且现有方法只能对单个系统的初始结构计算，无法实现多个光路的焦距分配与像差校正等问题，提供一种基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法。基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法，该方法由以下步骤实现：步骤一、基于多光路复合光学系统的光焦度分配方法，建立多光路光焦度分配优化函数分项；具体过程为：所述多光路复合光学系统分为前端的折反光路和后端的反射光路，并对所述折反光路和反射光路的光焦度合理分配；获得反射光路的组合焦距和折反光路的组合焦距；步骤二、基于近轴像差理论，将次镜等效为单个薄透镜和平行平板组合，获得反射光路与折反光路的近轴像差优化函数分项；具体过程为：所述折反光路的光线经主镜反射后穿过次镜后会聚成像，所述单个薄透镜的球差为：式中，α为次镜引起的主镜遮拦比，β为次镜的放大倍率，A为球差系数，n为次镜基底材料折射率，e2为次镜的非球面系数，r1、r2分别为次镜右表面和左表面的曲率半径；所述A＝A(α,β)，用下式表示为：式中，R1和R2分别为主镜和次镜的反射表面曲率半径，所述平行平板的球差公式为：式中，h1、h2分别为边缘光线在主镜和次镜的光线高度，i1、i2为光线于平行平板两面入射角，i'1、i'2为光线于平行平板两面出射角；d0为平行平板在焦距归一化时的厚度，u1、u2为平行平板入射光线与光轴的夹角，i1＝i2′＝-u1，i1′＝i2＝-u2，f1为反射光路的焦距；则折反光路的总近轴初阶球差为：式中，SI_Catadioptric_PM为折反光路中主镜的初级球差，SI_Catadioptric_SM_thinlens为单个薄透镜的球差，SI_Catadioptric_SM_Parallelplate为平行平板的球差；步骤三、根据复合光学系统对主镜后方的后截距的光机结构参数要求，建立了多光路系统的光机结构参数优化函数分项；系统结构布局约束条件C＝l′2-k2d，为反射光路的后截距，l′2为次镜到像面的距离，k2为后截距调整系数，d为主次镜间距；步骤四、建立整体的优化目标函数F；根据主次镜组成的反射光路的初级球差以及步骤三获得的折反光路的总近轴初阶球差，获得关于α,β,e1,e2,d0的隐性表达式：式中，SI_Reflection为反射光路的初级球差；则目标函数表示为：式中，ωi(i＝1,2,3,4)为相应权重，Φ为系统焦距分配约束条件；步骤五、对目标函数F进行寻优，获得最小目标函数对应的光学系统初始结构参数，完成多光路复合光学系统初始结构的搜索。本专利技术的有益效果：本专利技术所述的搜索方法，采用近轴像差校正方法，折反光路的光线经主镜反射后穿过次镜后会聚成像，次镜可以看作为透射光路中的平凸透镜，将折反系统的次镜等效成是由一片理想薄透镜和具有一定厚度的平行平板的组合镜组，利用主反射镜、薄透镜和平行平板的相关像差理论，推导出折反光路的近轴像差公式，作为初始结构搜索方法中的优化函数分项之一。本专利技术考虑系统光焦度分配、结构布局问题以及像差问题，通过包含光学结构轮廓参数、主次反射镜非球面系数、两反与折反光路光焦度分配系数在内的优化变量参数，建立了由光学系统结构布局约束条件、光焦度分配、近轴像差组成的多光路复合光学系统目标函数，并将光学系统初始结构的参数问题转化为求解目标函数最优解的问题。本专利技术利用给出的焦距分配与近轴像差初始结构搜索求解方法，在不增加算法复杂度的前提下，采用常规的遗传算法就可以简便快速地搜索多光路复合光学系统的初始结构。本专利技术中，光机系统结构布局约束条件为：利用次镜引起的遮拦比和次镜放大倍率，对次镜遮拦以及两反光路的后截距进行约束，获得合理的光机结构布局。本专利技术所述的初始结构搜索方法通过上述优化函数，适当调整相关多个优化函数分项之间的权重比例，将光学系统初始结构的参数问题转化为求解目标函数F最优解的问题，求解一组满足两个光路焦距分配较为合理、系统焦点移出量能满足后续光学系统设计、且近轴像差较小的光学系统初始结构系统结构参数。本专利技术方法具有良好的轴上像差校正特性，光机结构参数合理紧凑，并可以经后续光学优化实现全视场高成像质量，适合多光路多焦距复合光学系统初始结构的建立和光学优化。本专利技术所述的搜索方法，建立了目标优化函数与边界条件，使用常规的简单优化算法，即可实现具有良好轴上像差特性与光机结构参数的多光路复合光学系统初始结构的快速搜索。该方法能够迅速搜索到复合光学结构参数下的较好近轴成像质量的多光路复合光学系统的初始结构，方法简单迅速，能够有效降低光学设计者的人工经验影响与初始结构设计难度，提高了初始结构建立的效率，缩短初始结构搜索与优化的时间。附图说明图1为本专利技术所述的基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法中多光路复合光学系统的光路结构示意图；图2为本专利技术所述的基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法的流程图；图3为本专利技术所述的基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法基于近轴像差理论的折反与两反光路的像差建模与光线追迹所需的参数说明示意图；图4为多光路复合光学系统初始结构的目标函数F的收敛曲线；图5为搜索前光学系统初始结构示意图；图6为基于近轴像差理论和光机结构参数方法搜索后的光学系统初始结构示意图；图7为初始结构对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：/n步骤一、基于多光路复合光学系统的光焦度分配方法，建立多光路光焦度分配优化函数分项；具体过程为：/n所述多光路复合光学系统分为前端的折反光路和后端的反射光路，并对所述折反光路和反射光路的光焦度合理分配；获得反射光路的组合焦距和折反光路的组合焦距；/n步骤二、基于近轴像差理论，将次镜等效为单个薄透镜和平行平板组合，获得反射光路与折反光路的近轴像差优化函数分项；具体过程为：/n所述折反光路的光线经主镜反射后穿过次镜后会聚成像，所述单个薄透镜的球差为：/n

【技术特征摘要】
1.基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、基于多光路复合光学系统的光焦度分配方法，建立多光路光焦度分配优化函数分项；具体过程为：
所述多光路复合光学系统分为前端的折反光路和后端的反射光路，并对所述折反光路和反射光路的光焦度合理分配；获得反射光路的组合焦距和折反光路的组合焦距；
步骤二、基于近轴像差理论，将次镜等效为单个薄透镜和平行平板组合，获得反射光路与折反光路的近轴像差优化函数分项；具体过程为：
所述折反光路的光线经主镜反射后穿过次镜后会聚成像，所述单个薄透镜的球差为：



式中，α为次镜引起的主镜遮拦比，β为次镜的放大倍率，A为球差系数，n为次镜基底材料折射率，e2为次镜的非球面系数，r1、r2分别为次镜右表面和左表面的曲率半径；
所述A＝A(α,β)，用下式表示为：



式中，R1和R2分别为主镜和次镜的反射表面曲率半径，
所述平行平板的球差公式为：



式中，h1、h2分别为边缘光线在主镜和次镜的光线高度，i1、i2为光线于平行平板两面入射角，i'1、i'2为光线于平行平板两面出射角；d0为平行平板在焦距归一化时的厚度，u1、u2为平行平板入射光线与光轴的夹角，i1＝i2′＝-u1，i1′＝i2＝-u2，f1为反射光路的焦距；
则折反光路的总近轴初阶球差为：



式中，SI_Catadioptric_PM为折反光路中主镜的初级球差，SI_Catadioptric_SM_thinlens为单个薄透镜的球差，SI_Catadioptric_SM_Parallelplate为平行平板的球差；
步骤三、根据复合光学系统对主镜后方的后...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱杨，张刘，张若曦，宋莹，吕雪莹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22