一种自由曲面光学系统的设计方法

本发明涉及光学领域，具体涉及一种自由曲面光学系统设计方法。

背景技术：

1、由于自由曲面面形在光学系统设计中具有无可比拟的优势，其非旋转对称的结构赋予了更高的自由度和灵活性。相对于非球面，自由曲面面形可以更好地矫正像差，并实现更轻薄的结构，因此在光学系统优化中得到广泛应用。

2、随着时代进步，各类光学镜头已经广泛的应用在日常生活及工作中，应用的更广泛性与重要性下，随之便有了更高的光学性能要求，即更高的分辨率与成像质量，更加轻巧、轻薄的光学结构，目前绝大部分光学镜头在设计时，通常使用的面形有球面与非球面，但球面与非球面两者对像差的校正能力有限，从而需要更多的镜片组合来校正像差，这就导致了光学系统总长过大的问题，无法满足轻巧、轻薄化的发展方向，因此需要引入一种既能满足成像质量又能兼顾轻薄化的需求的面形，即自由曲面来解决各类光学镜头存在的上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自由曲面光学系统设计方法，以解决上述背景技术中所提出的技术问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、s1、选择非球面系统，以选择的非球面系统的非球面方程为基础，利用光学设计软件，导出非球面面形数据；其中，导出的非球面面形数据包括非球面口径、顶点曲率半径、高次项系数以及圆锥系数；

5、s2、将非球面方程以及得到的非球面面形数据导入到数据处理软件中；引入自由曲面的数学描述表达式，将非球面面形数据中的圆锥系数、顶点曲率半径所在的二次项作为基础项，不改变；将高次项所构成的面形分布作为转化自由曲面面形部分，进行自由曲面面形的拟合；

6、s3、在数据处理软件中利用优化拟合算法将非球面面形分布转换为自由曲面面形分布，得到自由曲面数学表达式中各项的拟合系数，并通过拟合精度判断转换的有效性；

7、s4、在光学设计软件中将非球面面形更换为相应的自由曲面面形，将拟合得到的自由曲面数学表达方式中各项的系数导入到软件中，完成从非球面元件到自由曲面元件的转换；

8、s5、将转化得到的自由曲面光学系统，在光学设计软件中进行进一步优化，获得满足设计指标的光学系统。

9、上述
技术实现要素：
中，进一步的，所述自由曲面的数学描述表达式包括xy多项式，zernike多项式或q型多项式。

10、上述发明内容中，进一步的，所述优化拟合算法包括最小二乘法、拟牛顿法或梯度下降法。

11、上述发明内容中，进一步的，所述光学设计软件包括zemax，code v或trace pro。

12、上述发明内容中，进一步的，所述数据处理软件包括matlab，maple，mathematica，c语言或python。

13、上述发明内容中，进一步的，所述非球面系统到所述自由曲面系统的转换，可使用在一个非球面上，也可使用在多个非球面上。

14、本发明的有益效果是：

15、本发明采用一种相对简洁的自由曲面光学系统设计方法，使用非球面面形数据与自由曲面多项式系数进行拟合，该方法好处在于更加简便、简洁得到一款有自由曲面的光学系统，解决光学系统总长过大的问题，满足光学镜头轻巧、轻薄化的发展方向；其次，该方法设计得到的自由曲面光学系能够有效提升传统光学系统的成像质量。该方法的创新之处在于自由曲面元件的引入方式，无需改变原有光学系统性能，直接将非球面面形替换为自由曲面面形，对拥有更多自由度的自由曲面光学系统进一步优化，从而提升该系统的成像质量；相较于现行的自由曲面元件引入方法，本发明直接采用数学处理算法将非球面面形拟合转化为自由曲面面形，此方法在mtf调制传递函数与畸变方面有着明显的提升，能让光学系统设计师更轻松地利用自由曲面面形优化系统性能，满足光学系统更高成像质量的发展方向。

技术特征：

1.一种自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述自由曲面的数学描述表达式包括xy多项式、zernike多项式或q型多项式。

3.根据权利要求1所述的一种自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述优化拟合算法包括最小二乘法、拟牛顿法或梯度下降法。

4.根据权利要求1所述的一种自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述光学设计软件包括zemax、code v或trace pro。

5.根据权利要求1所述的一种自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述数据处理软件包括matlab、maple、mathematica、c语言或python。

6.根据权利要求1所述的一种自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，所述非球面系统到所述自由曲面系统的转换，可使用在一个非球面上，也可使用在多个非球面上。

技术总结
一种自由曲面光学系统设计的方法，包括选择非球面系统，非球面方程为基础，利用光学设计软件，导出非球面面形数据；将得到的非球面面形数据导入到数据处理软件中；引入自由曲面的数学描述表达式；将非球面高次项所构成的面形分布作为转化自由曲面面形部分，进行自由曲面面形的拟合；利用优化拟合算法将非球面面形分布转换为自由曲面面形分布，得到自由曲面数学表达式中各项的拟合系数；将转化得到的自由曲面光学系统，本发明得到的自由曲面光学系能够有效提升传统光学系统的成像质量，无需改变原有光学系统性能，直接将非球面面形替换为自由曲面面形，此方法在MTF调制传递函数与畸变方面有着明显的提升，满足光学系统更高成像质量的发展方向。

技术研发人员：李世杰,李兆,蔡长龙,梁海锋,赵路民,牛思博,赵晗宇,刘丙才,朱学亮
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24