降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法

本发明涉及应用光学，尤其涉及一种降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法。

背景技术：

1、随着光学系统性能要求指标的不断提高，折射率误差敏感度在设计和制造过程中均引起了研究者的关注，且降低光学系统的折射率误差敏感度成为了提高光学系统性能的重要优化方向。玻璃材料的参数误差，由玻璃生产过程的本征误差所引起，且在实际的工作环境中，温度场和气压场等复杂物理场的变化也会使玻璃的折射率、阿贝数等参数偏离设计值，进而引起像质的变化。因此，光学系统的折射率误差敏感度对于光学系统的可实现性、制造成本和环境适应性等具有重要的影响。经验丰富的设计人员能够根据光学系统的指标要求选择合适的透镜材料，使光学系统在满足设计指标的同时兼具可实现性。但多数设计人员依赖于光学设计软件的优化算法来实现对透镜材料的选择，不仅耗时且有时难以找到有效的替换材料。且在像质优化过程中，因难以全面的考虑到光学系统的折射率误差敏感度的问题，导致光学系统的可实现性降低，设计周期有所延长，进而增加光学系统的制造成本。

技术实现思路

1、本发明为解决在像质优化过程中，因难以全面的考虑到光学系统的折射率误差敏感度的问题，导致光学系统的可实现性降低，设计周期有所延长，进而增加光学系统的制造成本的问题，提供一种降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，能够在满足光学系统性能要求指标的前提下，评价光学系统的折射率误差敏感度，实现了对光学系统的折射率误差敏感度的降敏，且放宽了光学系统的公差，在相同的误差扰动下，提升了光学系统的可实现性和稳定性。

2、本发明提供的降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，具体包括如下步骤：

3、s1：构建折射率误差敏感度综合评价函数：

4、（1）；

5、其中，为折射率误差敏感度综合评价函数值，s为误差敏感度评价函数值，为各透镜评价函数值标准差；

6、步骤s1具体包括如下步骤：

7、s11：根据光学系统初始结构的面型的复杂程度进行光瞳采样；

8、s12：结合步骤s11的采样结果，通过下式构造误差敏感度评价函数：

9、（2）；

10、（3）；

11、其中，为由折射率引起的当前透镜的光程差变化量，n和f分别为光学系统初始结构的透镜序号和视场序号，为光学系统初始结构的第n个透镜、第f个视场的折射率误差敏感度评价函数，n和f分别为光学系统初始结构的总透镜数和总视场数，r和a分别为光瞳采样点的总环数和总臂数，r、a分别为光瞳采样点的环数和臂数；

12、s13：基于误差敏感度评价函数构建各透镜评价函数值标准差：

13、（4）；

14、（5）；

15、s14：根据误差敏感度评价函数和各透镜评价函数值标准差，构建折射率误差敏感度综合评价函数；

16、s2：对光学系统初始结构的像质进行优化，使光学系统初始结构的像质满足名义mtf值，获得第一优化光学系统；

17、s3：根据折射率误差敏感度综合评价函数对第一优化光学系统进行敏感度分析；

18、s4：根据步骤s3的敏感度分析结果，获得第二优化光学系统；

19、s5：对第二优化光学系统进行降敏优化，同时使第二优化光学系统的像质始终满足名义mtf值，获得第三优化光学系统；

20、s6：计算第三优化光学系统的实际mtf值，重复步骤s2-s5，直至第三优化光学系统的实际mtf值不再上升为止，完成对光学系统初始结构的降敏优化。

21、优选地，当前透镜的光程差变化量的计算公式为：

22、（6）；

23、其中，为当前透镜的前一个面的折射角，为当前透镜的后一个面的出射孔径角，是当前透镜的后一个面的入射角，是当前透镜的后一个面的入射孔径角，是当前透镜的前一个透镜面上的轴上点到入射光线的距离，是当前透镜的后一个透镜面上的轴上点到入射光线的距离，是当前透镜的折射率变化值。

24、优选地，将光学系统初始结构的曲率半径、透镜厚度、空气间隔作为优化变量进行像质优化；将第二优化光学系统的曲率半径、空气间隔、透镜厚度和透镜材料作为优化变量进行敏感度优化。

25、优选地，根据不同的光学系统的像质优化要求设置名义mtf值。

26、优选地，在步骤s3中，敏感度分析的具体过程为：利用误差敏感度评价函数对第一优化光学系统进行敏感度的评价，获得第一误差敏感度评价函数值，并利用各透镜评价函数值标准差对第一优化光学系统的各透镜的敏感度差别大小进行表征，获得第一各透镜评价函数值标准差。

27、优选地，步骤s4具体包括如下步骤：

28、s41：对第一误差敏感度评价函数值进行调整，获得第二误差敏感度评价函数值，第二误差敏感度评价函数值小于第一误差敏感度评价函数值；对第一各透镜评价函数值标准差进行调整，获得第二各透镜评价函数值标准差，第二各透镜评价函数值标准差小于第一各透镜评价函数值标准差；

29、s42：根据步骤s41的调整结果，获得第二优化光学系统。

30、优选地，步骤s5具体包括如下步骤：

31、s51：利用式（5）对第二优化光学系统所包含的所有透镜的误差敏感度评价函数值一一进行计算；

32、s52：将误差敏感度评价函数值最大的m片透镜作为待替换透镜，对待替换透镜的透镜材料进行替换，并优化替换材料后的第二光学系统的结构参数，获得第三优化光学系统。

33、优选地，结构参数包括替换材料后的第二优化光学系统的所有透镜的曲率半径、厚度和玻璃折射率和阿贝数。

34、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

35、本发明考虑了透镜材料的替换对误差敏感度的影响，通过自主设计的折射率误差敏感度综合评价函数对光学系统的折射率误差敏感度进行优化，实现了对光学系统的折射率误差敏感度的降敏，且放宽了光学系统的公差，在相同的误差扰动下，提升了光学系统的可实现性和稳定性，降低了光学系统的制造成本。

技术特征：

1.一种降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，其特征在于，当前透镜的光程差变化量的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，其特征在于，将所述光学系统初始结构的曲率半径、透镜厚度、空气间隔作为优化变量进行像质优化；将所述第二优化光学系统的曲率半径、空气间隔、透镜厚度和透镜材料作为优化变量进行敏感度优化。

4.根据权利要求1所述的降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，其特征在于，根据不同的光学系统的像质优化要求设置所述名义mtf值。

5.根据权利要求1所述的降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，其特征在于，在所述步骤s3中，所述敏感度分析的具体过程为：利用所述误差敏感度评价函数对所述第一优化光学系统进行敏感度的评价，获得第一误差敏感度评价函数值，并利用各透镜评价函数值标准差对所述第一优化光学系统的各透镜的敏感度差别大小进行表征，获得第一各透镜评价函数值标准差。

6.根据权利要求5所述的降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤s5具体包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法，其特征在于，所述结构参数包括替换材料后的第二优化光学系统的所有透镜的曲率半径、厚度和玻璃折射率和阿贝数。

技术总结
本发明涉及应用光学技术领域，尤其涉及一种降低折射率误差敏感度的光学系统优化设计方法。包括：S1：构建折射率误差敏感度综合评价函数；S2：对光学系统初始结构的像质进行优化，使光学系统初始结构的像质满足名义MTF值，获得第一优化光学系统；S3：根据折射率误差敏感度综合评价函数对第一优化光学系统进行敏感度分析；S4：根据步骤S3的敏感度分析结果，获得第二优化光学系统；S5：对第二优化光学系统进行降敏优化，获得第三优化光学系统；S6：重复步骤S2‑S5，完成对光学系统初始结构的降敏优化。本发明能够实现对光学系统的折射率误差敏感度的降敏，降低了光学系统的制造成本。

技术研发人员：孟庆宇,王思琦
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24