抑制杂散光的光学系统设计方法、设备及存储介质技术方案

本发明专利技术涉及一种抑制杂散光的光学系统设计方法、设备及存储介质，光学系统设计方法包括以下步骤：步骤S1、确认杂散光类型；步骤S2、根据杂散光类型，基于光阑视场角和子午平面内的相对孔径，绘制杂散光的光路图；步骤S3、根据步骤S2绘制的杂散光的光路图，得到特征光线及特征光线路径点；步骤S4、利用特征光线及特征光线路径点，计算杂散光评价函数；步骤S5、根据杂散光评价函数优化设计光学系统。本发明专利技术的抑制杂散光的光学系统设计方法能够实现以超大视场、极低或无杂散光干扰，成像清晰、稳定为主要优点的光学设计。要优点的光学设计。要优点的光学设计。

【技术实现步骤摘要】
抑制杂散光的光学系统设计方法、设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及全景光学系统
，具体涉及一种抑制杂散光的光学系统设计方法、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]随着计算机辅助光学设计和各种特殊光学加工技术的发展，众多非传统结构、非传统功能与性能的光学系统正涌现。全景环带光学系统是一种基于折反射光学系统原理的超大视场光学系统，由于其特殊的光路结构设计，相比已有的超大视场系统具有更轻巧稳固的结构，更高的设计自由度，更简单的加工工艺和更好的光学性能。随着各类光学系统的结构复杂化，杂散光对光学系统的制约将不可忽视。杂散光是指在光学系统内不沿正常成像光路传播的光线，将会在光学系统像面上产生额外的，凌乱的照明，影响光学系统的正常工作。
[0003]传统的常规控制手段对于只在某些特定类型的特殊光学系统上出现的杂散光是无效的。且目前各种杂散光都缺少快速、准确的评估方法，不便于快速迭代光学设计方案。近年来针对各种特殊光学系统的杂散光控制一般都在光学设计完成后进行大量分析工作，寻找可能的位置将杂散光路遮拦。这种方法工作量大，不便快速迭代，且不具有通用性。
[0004]针对全景环带光学系统，人们也进行了一些在设计阶段快速控制杂散光的尝试，但方法本身并不准确可靠，结果也无法预测，不利于快速低成本迭代出光学性能优异的全景环带光学系统。
[0005]目前光学系统杂散光的分析一般在光学设计阶段性完成后，另外建立光机系统模型，基于大量的光线追迹来判断当前系统的杂散光情况。这种方法与光学设计过程是分立的，彼此无法进行有效沟通。需要人工来回控制，效率低，结果可控程度低，导致特殊光学系统的研发周期一般都较长。
[0006]较为成熟的传统杂散光抑制方法有设计遮光罩结构、提高光学镀膜的光学性能、在系统内部安置消杂光光阑、在结构件上车消光螺纹或布置消光涂层等。这些方法在传统的纯折射、中小视场角的镜头中能够起到一定作用，降低杂散光对光学系统的影响。然而对于具有特殊结构的全景环带光学系统而言，这些方法将无法控制形成于其全景头部单元内的杂散光，且这些杂散光都对光学系统的成像有着严重的破坏。目前这些杂散光缺乏有效、准确的即时评估与抑制方法。
[0007]现有技术中，本领域技术人员始终尝试在光学设计阶段通过对成像光线数学关系的管理实现消杂光设计，然而杂散光与成像光路在绝大多数情况下并不共享传播路径，因此试图利用成像光路来描述杂散光存在不准确、不可靠的问题。且全景环带光学系统的杂散光构成非常复杂，而该方法的针对性太强，并不广泛适用于此类系统。
[0008]在一些技术文献中，也给出了一些在全景环带光学系统加工完成后，通过挖洞、开槽等方式截断杂散光传播路径，但此类消杂光手段属于光学系统已加工完成后进行的补救措施，效果非常有限，且不一定能落实。因此，目前还没有针对全景环带光学系统杂散光较
为系统、全面、有效的分析和解决方案。

技术实现思路

[0009]鉴于上述技术问题，本专利技术提出一种抑制杂散光的光学系统设计方法、设备及存储介质，其目的在于以下两点，其一，在全景环带光学系统光学设计阶段，快速准确的评估当前光学系统的杂散光情况与风险，便于在光学设计阶段进行迭代，避免了大量基于光机系统建模和大批量光线追迹的杂散光分析工作，大大缩短光学系统的研发周期，减少研发成本；其二，仅在全景环带光学系统光学设计阶段，通过控制特定的优化函数，将几类产生于全景环带头部单元内的杂散光完全抑制，或至少达到风险可控的水平，这种设计、评估同时进行的设计方法，提升了优化光学性能的自动化程度，加快了产品的设计效率。
[0010]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种抑制杂散光的光学系统设计方法，包括以下步骤：
[0011]步骤S1、确认杂散光类型；
[0012]步骤S2、根据杂散光类型，基于光阑视场角和子午平面内的相对孔径，绘制杂散光的光路图；
[0013]步骤S3、根据步骤S2绘制的杂散光的光路图，得到特征光线及特征光线路径点；
[0014]步骤S4、利用特征光线及特征光线路径点，计算杂散光评价函数；
[0015]步骤S5、根据杂散光评价函数优化设计光学系统。
[0016]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤S1中，对全景环带光学系统进行杂散光建模分析仿真，确定需要分析和抑制的杂散光类型。
[0017]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤S2中，对所述步骤S1中确认的杂散光类型，基于至少3个光阑视场角θ和3个子午平面内的相对孔径ρ，从全景环带头部单元后的光阑位置出发，沿杂散光的路径反向追迹光线至全景环带光学系统的入射表面，并将光路合并绘制光路图。
[0018]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤S3中，所述特征光线分上方光线UR和下方光线LR，包括：
[0019]步骤S31、确定上方光线路径点，并标记为URW1、URW2......，所述上方光线路径点为光路图中在光路经过的、且最大光阑视场角的光线的落点最靠近边缘的每个表面上，距离最大光阑视场角的光线最近的镜片边缘点；
[0020]步骤S32、确定下方光线路径点，并标记为LRW1、LRW2......，所述下方光线路径点为光路图中在光路经过的、且最小光阑视场角的光线的落点最靠近边缘的每个表面上，距离最小光阑视场角的光线最近的镜片边缘点；
[0021]步骤S33、利用特征光线的路径点确定特征光线。
[0022]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤S33中，包括：
[0023]步骤S331、确定上方光线的相对孔径和光阑入射角，所述上方光线的相对孔径ρ
UR
为距离对应的上方光线路径点最远的光线的相对孔径，所述上方光线的光阑入射角θ
UR
为使得具有ρ
UR
的光线能够经过任一上方光线路径点的最小光阑入射角；
[0024]步骤S332、确定下方光线的相对孔径和光阑入射角，所述下方光线的相对孔径ρ
LR
为距离对应的下方光线路径点最远的光线的相对孔径，所述下方光线的光阑入射角θ
LR
为使
得具有ρ
LR
的光线能够经过任一下方光线路径点的最大光阑入射角。
[0025]根据本专利技术的一个方面，还包括：
[0026]利用试探光线在经过全景环带光学系统头部结构任一包含某个特征光线路径点的光学表面时的落点与对应的特征光线路径点的垂轴距离来识别该试探光线是否为一特征光线，
[0027]即利用试探光线迭代寻找特征光线，试探光线落点与各路径点在所在表面上的垂轴距离记为：
[0028][0029]其中，I
URW
为评价试探光线是否可认为是上方光线的指标，I
LRW
为评价试探光线是否可认为是下方光线的指标，y
URW
为上方光线路径点的垂直轴坐标，y
LRW
为下方光线路径点的垂轴坐标，y
试探光线，URW所在表面
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制杂散光的光学系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、确认杂散光类型；步骤S2、根据杂散光类型，基于光阑视场角和子午平面内的相对孔径，绘制杂散光的光路图；步骤S3、根据步骤S2绘制的杂散光的光路图，得到特征光线及特征光线路径点；步骤S4、利用特征光线及特征光线路径点，计算杂散光评价函数；步骤S5、根据杂散光评价函数优化设计光学系统。2.根据权利要求1所述的抑制杂散光的光学系统设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，对全景环带光学系统进行杂散光建模分析仿真，确定需要分析和抑制的杂散光类型。3.根据权利要求1所述的抑制杂散光的光学系统设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对所述步骤S1中确认的杂散光类型，基于至少3个光阑视场角θ和3个子午平面内的相对孔径ρ，从全景环带头部单元后的光阑位置出发，沿杂散光的路径反向追迹光线至全景环带光学系统的入射表面，并将光路合并绘制光路图。4.根据权利要求3所述的抑制杂散光的光学系统设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述特征光线分上方光线UR和下方光线LR，包括：步骤S31、确定上方光线路径点，并标记为URW1、URW2
……
，所述上方光线路径点为光路图中在光路经过的、且最大光阑视场角的光线的落点最靠近边缘的每个表面上，距离最大光阑视场角的光线最近的镜片边缘点；步骤S32、确定下方光线路径点，并标记为LRW1、LRW2
……
，所述下方光线路径点为光路图中在光路经过的、且最小光阑视场角的光线的落点最靠近边缘的每个表面上，距离最小光阑视场角的光线最近的镜片边缘点；步骤S33、利用特征光线的路径点确定特征光线。5.根据权利要求4所述的抑制杂散光的光学系统设计方法，其特征在于，在所述步骤S33中，包括：步骤S331、确定上方光线的相对孔径和光阑入射角，所述上方光线的相对孔径ρ
UR
为距离对应的上方光线路径点最远的光线的相对孔径，所述上方光线的光阑入射角θ
UR
为使得具有ρ
UR
的光线能够经过任一上方光线路径点的最小光阑入射角；步骤S332、确定下方光线的相对孔径和光阑入射角，所述下方光线的相对孔径ρ
LR
为距离对应的下方光线路径点最远的光线的相对孔径，所述下方光线的光阑入射角θ
LR
为使得具有ρ
LR
的光线能够经过任一下方光线路径点的最大光阑入射角。6.根据权利要求5所述的抑制杂散光的光学系统设计方法，其特征在于，还包括：利用试探光线在经过全景环带光学系统头部结构任一包含某个特征光线路径点的光学表面时的落点与对应的特征光线路径点的垂轴距离来识别该试探光线是否为一特征光线，即利用试探光线迭代寻找特征光线，试探光线落点与各路径点在所在表面上的垂轴距离记为：
其中，I
URW
为评价试探光线是否可认为是上方光线的指标，I
LRW
为评价试探光线是否可认为是下方光线的指标，y
URW
为上方光线路径点的垂直轴坐标，y
LRW
为下方光线路径点的垂轴坐标，y
试探光线，URW所在表面
为试探光线在对应的上方光线路径点所在光学表面的落点的垂轴坐标，y
试探光线，LRW所在表面
为试探光线在对应的下方光线路径点所在光学表面的落点的垂轴坐标；上式中，根据具体杂散光类型和路径点的选定，定义I
URW

【专利技术属性】
技术研发人员：冯逸鹤，廖亦奇，
申请(专利权)人：杭州环峻科技有限公司，
类型：发明
国别省市：