生成自由曲面初始结构的优化方法

自由曲面成像光学系统的光学设计与传统的球面、非球面成像光学系统的设计方法类似,均是采用初始结构选取和后续多参数优化的基本设计思想。即按照系统的结构参数要求,选择一个初始结构,然后以此为起点,建立相应的评价函数限制条件,利用光学设计软件开展后续优化,得到最终结构。然而,由于自由曲面丰富的设计自由度,以及复杂的像差特性,在初始结构生成和优化设计策略方面都面临着新的问题,需要探索高效的新型设计方法。本节将重点论述自由曲面光学系统的初始结构生成方法,11.3节着重论述自由曲面光学系统的优化设计策略。

按照传统的设计思路,建立自由曲面光学系统的初始结构主要有两种方法:一种是根据系统参数要求,从专利库或已有系统中寻找最接近的作为初始结构;另一种是按照系统参数要求根据近轴理论和初级像差理论求解相应的同轴结构,再做倾斜和偏心处理获取离轴初始结构。然而,自由曲面光学系统多是利用有限数量的曲面,实现大视场、小F数的设计要求,这些是传统光学系统难以实现的性能目标。因此,在多数情况下,专利库和已有设计案例能够提供的初始结构有限。另外,对同轴系统进行离轴化处理的方法,倾斜和偏心的方向选择对设计经验的依赖性较大,易产生对离轴像差校正能力不足的结构。(www.xing528.com)

针对自由曲面光学系统存在的初始结构少的难题,研究者提出了直接设计的理念,即根据物像投影关系模型,建立光学追迹的路径,从而构建出自由曲面面型,完成自由曲面光学系统的初始结构构建。