光学系统最佳焦面位置的确定方法技术方案

本发明专利技术提供一种光学系统最佳焦面位置的确定方法，包括以下步骤：S1、构建当光学系统像面引入倾斜量和离焦量时的波像差模型；S2、根据光学系统焦深δ设定光学系统像面离焦量的截断误差δ0；S3、计算光学系统波像差方差并建立光学系统波像差均方根值的数学模型；S4、构建光学系统关于波像差方差一阶偏导数等于零的方程组并计算像面离焦量δ

【技术实现步骤摘要】
光学系统最佳焦面位置的确定方法


[0001]本专利技术涉及光学设计
，特别涉及一种光学系统最佳焦面位置的确定方法。

技术介绍

[0002]成像光学系统仿真设计过程中，通常首先基于高斯光学的近轴成像公式确定系统焦面位置，而后以该焦面成像质量作为光学系统进一步优化设计的像质评价的迭代起点。
[0003]高斯光学确定的光学系统焦面位置仅对轴上光束满足理想成像或像差最小成像，对轴外光束成像存在较大像差。因此，综合分析光学系统轴上和轴外视场成像质量，该焦面位置并不是系统成像最佳焦面位置。
[0004]如果根据光学系统设计指标需求，设置视场权重因子，并在光学系统焦面位置引入一定的离焦量，可以获得满足系统轴上和轴外视场成像质量加权最优的焦面位置。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术的目的是提出一种光学系统最佳焦面位置的确定方法，首先，构建当像面引入倾斜和离焦时光学系统的波像差计算模型；其次，根据系统焦深，设定像面离焦量的截断误差；而后，根据光学系统波前方差与像面倾斜因子和离焦因子的关系式，构建其一阶偏导数等于零的方程组，并采用最小二乘法求解该方程组；最后，获得系统最佳焦面位置所对应的离焦量。通过本专利技术的方法，可获得成像系统轴上和轴外视场成像质量加权最优的焦面位置，进而提升成像系统的像质。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0007]本专利技术提供一种光学系统最佳焦面位置的确定方法，包括以下步骤：
[0008]S1、构建当光学系统像面引入倾斜量和离焦量时的波像差模型；
[0009]S2、根据光学系统焦深δ设定光学系统像面离焦量的截断误差δ0：
[0010]δ0＝C
·
δ(4)
[0011]其中，
[0012]C为比例因子；
[0013]S3、计算光学系统波像差方差并建立光学系统波像差均方根值的数学模型；
[0014]S4、构建光学系统关于波像差方差一阶偏导数等于零的方程组并计算像面离焦量δ
z
；
[0015]S5、根据像面离焦量δ
z
计算光学系统的最佳焦面位置。
[0016]优选地，光学系统波像差计算模型为：
[0017][0018]其中，
[0019]W(x，y)为光学系统引入倾斜量和离焦量时光学系统的波像差；
[0020]W0(x，y)为光学系统的原始波像差；
[0021]x，y，z分别为光学系统中光线在出瞳面的坐标；
[0022]R为出瞳球面的半径；
[0023]δ
x
，δ
y
分别为像面沿x轴和y轴方向的倾斜量；
[0024]δ
z
为像面沿z轴方向的离焦量；
[0025]λ为波长；
[0026]根据波像差W(x，y)计算波像差均方根值RMS：
[0027][0028]其中，
[0029]n为光线的数量；
[0030]根据波像差均方根值RMS计算波像差方差H：
[0031]H＝(RMS)2(3)。
[0032]优选地，光线数量n的范围为：400～16000；比例因子C的取值范围优选为：0.01～1。
[0033]优选地，步骤S3包括以下子步骤：
[0034]S31、计算波长权重μ
i
和视场权重K
j
；
[0035]波长权重μ
i
的计算公式为：
[0036][0037]其中，
[0038]i＝1
…
m；
[0039]μ
i
为第i个波长的权重；
[0040]λ
i
为第i个波长；
[0041]为第i个波长的权重因子。
[0042]视场权重K
j
的计算公式为：
[0043][0044]其中，
[0045]j＝1
…
N；
[0046]K
j
为视场权重；
[0047]为第j个视场的权重因子；
[0048]N
j
为第j个视场的追迹光线数量。
[0049]第j个视场追迹的光线数量N
j
为：
[0050][0051]其中，
[0052]n
i
为第j个视场，第i个波长追迹的光线数量；
[0053]m为光学系统的波长总数；
[0054]S32、根据波长权重μ
i
和视场权重K
j
计算光学系统波像差均方根值的模型。
[0055]优选地，步骤S32包括以下子步骤：
[0056]S321、计算单个视场的波像差方差V
j
：
[0057][0058]其中，
[0059]V
j
为光学系统第j个视场的波像差方差；
[0060]j＝1
…
N，N为光学系统的视场总数；
[0061]H
i
为波长λ
i
的波像差方差；
[0062]μ
i
为波长λ
i
的权重；
[0063]i＝1
…
m，m光学系统的波长总数；
[0064]S322、建立光学系统单个视场下的波像差方差与N个视场波像差方差的函数关系：
[0065][0066]S323、计算光学系统波像差均方根值：
[0067][0068]优选地，像面离焦量δ
z
的计算过程为：
[0069]S41、构建光学系统波像差方差一阶偏导数等于零的方程组。
[0070]光学系统波像差方差可表示成N个视场对应的像面X方向倾斜量、像面Y方向倾斜量、像面Z方向离焦量的多元函数：
[0071][0072]其中，
[0073]为第j个视场像面沿X轴方向的倾斜量；
[0074]是第j个视场像面Y轴方向的倾斜量；
[0075]δ
z
是像面沿Z轴方向的离焦量；
[0076]S42、将波像差方差对所有变量分别求一阶偏导数，并令其值分别等于0；
[0077]从而建立光学系统波像差方差一阶偏导数等于零的方程组：
[0078][0079]S43、通过最小二乘法计算像面离焦量δ
z
。
[0080]优选地，步骤S5包括以下子步骤：
[0081]S51、若像面离焦量δ
z
小于或等于像面离焦量的截断误差δ0，则进入步骤S52；
[0082]δ
z
≤δ0(13)
[0083]若像面离焦量δ
z
大于像面离焦量的截断误差δ0，则重复步骤3和步骤4，直至像面离焦量δ
z
小于或等于像面离焦量的截断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学系统最佳焦面位置的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建当光学系统像面引入倾斜量和离焦量时的波像差模型；S2、根据光学系统焦深δ设定光学系统像面离焦量的截断误差δ0：δ0＝C
·
δ(4)其中，C为比例因子；S3、计算光学系统波像差方差并建立光学系统波像差均方根值的数学模型；S4、构建光学系统关于所述波像差方差一阶偏导数等于零的方程组并计算像面离焦量δ
z
；S5、根据所述像面离焦量δ
z
计算所述光学系统的最佳焦面位置。2.根据权利要求1所述的光学系统最佳焦面位置的确定方法，其特征在于，所述光学系统波像差计算模型为：其中，W(x，y)为所述光学系统引入倾斜量和离焦量时光学系统的波像差；W0(x，y)为所述光学系统的原始波像差；x，y，z分别为所述光学系统中光线在出瞳面的坐标；R为出瞳球面的半径；δ
x
，δ
y
分别为所述像面沿x轴和y轴方向的倾斜量；δ
z
为所述像面沿z轴方向的离焦量；λ为波长；根据所述波像差W(x，y)计算波像差均方根值RMS：其中，n为所述光线的数量；根据所述波像差均方根值RMS计算波像差方差H：H＝(RMS)2(3)。3.根据权利要求2所述的光学系统最佳焦面位置的确定方法，其特征在于，所述光线数量n的范围为：400～16000；所述比例因子C的取值范围优选为：0.01～1。4.根据权利要求2所述的光学系统最佳焦面位置的确定方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：S31、计算波长权重μ
i
和视场权重K
j
；所述波长权重μ
i
的计算公式为：
其中，i＝1
…
m；μ
i
为第i个波长的权重；λ
i
为第i个波长；为第i个波长的权重因子；所述视场权重K
j
的计算公式为：其中，j＝1
…
N；K
j
为视场权重；为第j个视场的权重因子；N
j
为第j个视场的追迹光线数量；第j个视场追迹的光线数量N
j
为：其中，n
i
为第j个视场，第i个波长追迹的光线数量；m为光学系统的波长总数；S32、根据波长权重μ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王灵杰，于亚琼，张新，张纪鹏，赵尚男，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：