低偏振像差三反光学系统设计方法、系统、设备及介质

本发明涉及光学设计，尤其涉及一种低偏振像差三反光学系统设计方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、对于成像光学系统，波像差是最重要的像差，其对成像质量的影响远大于偏振像差，因此在大多数应用中偏振像差可以被忽略。与波像差和光学效率一样，偏振像差是光学系统的一种基本属性。偏振像差表征光线经过光学系统后其振幅、相位以及偏振态的变化。若出射光与入射光的偏振态保持一致，光学系统的偏振特性可以用一个单位琼斯矩阵或穆勒矩阵表示，该系统也被称为理想偏振系统。然而，根据菲涅尔公式，实际非正交入射光线在光学表面反射和折射时，入射光中不同偏振分量的振幅和相位会出现差异，进而改变出射光的偏振态。任何偏离理想偏振特性的系统均含有偏振像差，其偏振像差大小与系统的结构特点和镀膜特性密切相关。

2、随着光刻物镜、对地遥感、天文观测等领域的研究水平不断提高，对光学系统成像质量的要求也越来越高，偏振像差的重要性逐渐凸显。对于太阳望远镜、空间目标探测系统、偏振探测系统、激光测距系统、用于系外类地行星探测的天文望远镜等应用，光学系统的偏振像差均是重要的系统误差源，极大地限制了上述应用的进一步发展。因此，迫切需要通过光学设计，降低光学系统的偏振像差。然而，目前的光学系统设计方案，均是以波像差为优化目标，不能兼顾偏振像差。随着光学系统成像质量的提高，系统的偏振像差逐渐成为一个不可忽略的重要系统误差源。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种低偏振像差三反光学系统设计方法、系统、设备及介质。

2、第一方面，本发明实施例中提供一种低偏振像差三反光学系统设计方法，包括：

3、根据目标三反光学系统的系统要求确定全部设计参数中自由设计参数的数目；

4、基于所述数目生成相应数目的随机数；

5、根据赛德尔像差计算公式，和所述随机数确定剩余设计参数，所述全部设计参数的数目为所述自由设计参数和所述剩余设计参数的数目之和；

6、以消除所述目标三反光学系统中的初级球差、初级像散和初级彗差为目标，建立多个方程，通过所述自由设计参数和所述多个方程确定剩余设计参数；

7、根据高斯光学理论，得到所述目标三反光学系统中三块具有光焦度反射镜的全部结构参数，所述三块具有光焦度的反射镜包括主反射镜、次反射镜和三反射镜；

8、将计算得到的全部结构参数输入到光学设计软件中得到所述目标三反光学系统的波像差，并计算得到所述目标三反光学系统的偏振像差；

9、根据所述波像差和所述偏振像差构建评价函数；

10、基于所述评价函数判断所述波像差和所述偏振像差是否均满足需求；

11、若评价函数不满足系统要求，则以随机数的形式重新生成自由参数，并按照上述流程再次计算得到评价函数，直到系统的所述波像差和所述偏振像差均满足需求时，完成设计。

12、在一些可能的方案中，当确定所述波像差和所述偏振像差中任一个不满足需求时继续进行自由设计参数优化。

13、在一些可能的方案中，所述自由设计参数为7个，包含、、、、、和，其中、、是三块具有光焦度反射镜的二次曲率常数，是所述次反射镜对所述主反射镜的遮拦比，是所述三反射镜对所述次反射镜的遮拦比，和分别为所述次反射镜和所述三反射镜的放大率。

14、在一些可能的方案中，当所述目标三反光学系统的像面采用平面时，所述自由设计参数为3个，剩余设计参数为4个，所述剩余设计参数用于优化波像差满足系统要求和消除场曲；或

15、当所述目标三反光学系统的像面不采用平面时，所述自由设计参数为4个，剩余设计参数为3个，所述剩余设计参数用于优化波像差满足系统要求。

16、在一些可能的方案中，所述根据高斯光学理论，得到所述目标三反光学系统中三块反射镜的全部结构参数，包括：

17、根据高斯光学理论，得到三反光学系统中三块有光焦度反射镜的全部结构参数，包括各个反射镜的顶点曲率半径、二次曲率常数和间距；

18、通过自由设计参数，由下列公式依次计算得到每个反射镜的顶点曲率半径和光学间隔；

19、（1）

20、（2）

21、在一些可能的方案中，所述基于所述数目生成相应数目的随机数，包括：

22、通过数值计算软件针对每一个自由设计参数生成相应的随机数；

23、所述将计算得到的全部结构参数输入到光学设计软件中得到所述目标三反光学系统的波像差，并确定所述目标三反光学系统的偏振像差，包括：

24、在所述数值计算软件与所述光学设计软件之间建立数据通信，自动将所述全部结构参数输入到光学设计软件中生成所述目标三反光学系统，并将所述目标三反光学系统的波像差从所述光学设计软件输入到所述数值计算软件；

25、利用所述数值计算软件与所述光学设计软件之间的数据通信，根据三维偏振光线追迹方法确定所述目标三反光学系统的偏振像差，所述偏振像差包括二向衰减和相位延迟。

26、在一些可能的方案中，所述根据所述波像差和所述偏振像差构建评价函数，包括：

27、结合计算得到的系统波像差和偏振像差，根据系统的要求构建相应的评价函数，并得到每一个设计完成的所述目标三反光学系统的评价函数。

28、第二方面，本发明实施例中提供一种低偏振像差三反光学系统，所述三反光学系统基于上述低偏振像差三反光学系统设计方法的设计得到，所述三反光学系统为同轴三反光学系统或离轴三反光学系统

29、作为一种可选的方案，所述低偏振像差三反光学系统的结构参数，包括以下数据：

30、

31、第三方面，本发明实施例中提供一种计算机设备，包括：

32、至少一个处理器；以及

33、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

34、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的三反光学系统设计方法。

35、第四方面，本发明实施例中提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的三反光学系统设计方法。

36、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

37、本发明实施例中提供一种低偏振像差三反光学系统设计方法、系统、设备及介质。根据目标三反光学系统的系统要求确定自由设计参数的数目，生成相应数目的随机数。根据赛德尔像差计算公式，以消除目标三反光学系统的初级球差、初级像散和初级彗差为目标，建立多个方程，通过自由设计参数和多个优化方程确定剩余设计参数。根据高斯光学理论，得到目标三反光学系统中三块具有光焦度反射镜的全部结构参数，将计算得到的全部结构参数输入到光学设计软件中，得到目标三反光学系统的波像差，并计算得到目标三反光学系统的偏振像差。根据波像差和偏振像差构建评价函数，基于评价函数判断波像差和偏振像差是否均满足需求。若评价函数不满足系统要求，则以随机数的形式重新生成自由参数，并按照所述流程再次计算得到评价函数，直到系统的所述波像差和所述偏振像差均满足需求时，完成设计。通过本发明，设计得到的三反光学系统既能实现高质量成像，又能够大幅度降低系统的偏振像差。