[发明专利]基于平板相位元件的成像光学系统的设计方法

权利要求书

1.一种基于平板相位元件的成像光学系统设计方法，其包括以下步骤：

步骤S1，建立一初始系统，该初始系统包括多个初始的几何平面，即每个平面无相位函数；该初始系统中的一个初始曲面对应待设计平板相位成像光学系统中一个相位面；初始平面应该大致处于曲面最终期望的位置处；可以基本按照要求控制光线的走向；

步骤S2，在全视场和全孔径范围内选取特征光线，根据物像关系求解所述特征光线在像面处的理想像点；

步骤S3，以初始系统为起点，依次逐点初步构建每个相位面的相位函数，得到一第一基于平板相位元件的成像光学系统

步骤S4，将所述第一基于平板相位元件的成像光学系统再次作为初始系统，经过多次迭代，得到一第二基于平板相位元件的成像光学系统；

步骤S5，将所述第二基于平板相位元件的成像光学系统作为初始系统，进行优化，得到最终系统。

2.如权利要求1所述的基于平板相位元件的成像光学系统设计方法，其特征在于，求解得到的相位函数为解析形式，相位函数的拟合过程同时考虑了数据点的坐标与法向。

3.如权利要求1所述的基于平板相位元件的成像光学系统设计方法，其特征在于，设计过程中逐点求解每条光线处的相位函数处的相位值，并考虑了来自不同视场不同孔径位置的光线。

4.如权利要求1所述的基于平板相位元件的成像光学系统设计方法，其特征在于，初步构建每个相位面相位函数时包括以下步骤：

步骤S31，取定一第一个相位面，j＝1；

步骤S32，在构建第j个相位面时，其他所有相位面的位置以及相位函数均保持当前状态不变；取定一第一条特征光线R₁与所述第j个相位面对应的初始平面在实际三维空间中的交点为特征数据点P₁；在相位函数空间中的投影特征数据点为P_1,φ；设P_1,φ或P₁处的相位值为φ(P₁)；在得到所有特征点处的相位后，将各点处的相位整体增加或降低，从而使相位函数顶点处的相位为0；

步骤S33，在得到第i个特征数据点P_i以及其在相位函数空间中的投影点P_i,φ后，为了使光线能够交像面与理想像点I_i,ideal，可以得出相位函数空间中P_i,φ处的法向N_i,φ以及切平面；

步骤S34，计算从P_i到剩余未使用的特征光线和相位面在实际三维空间中交点的距离；从这些交点中找到和P_i距离最短的交点，定义为P_i+1，对应的光线定义为R_i+1；

步骤S35，计算从P_i+1到P_η(η＝1…i)的距离；找到距离P_i+1最近的交点，定义为Q_i；其在相位函数空间中的投影点为Q_i,φ；在Q_i,φ的切平面上找到与P_i+1点xy坐标相同的点，将该点定义为P_i+1,φ；此时将i增加1；

步骤S36，重复步骤S33到S35，直到计算得到第j个相位面上的所有特征数据点；通过拟合可以得到所述相位函数的表达式；这里采用综合考虑数据点坐标和法向的拟合方法；此时得到了第j个相位面的相位函数；将j增加1；

步骤S37，重复步骤S32到S36，直到得到所有相位面的相位函数。

5.如权利要求1所述的基于平板相位元件的成像光学系统设计方法，其特征在于，进行每个相位面相位函数迭代时包括以下步骤：

步骤S41，取定一第一个相位面，j＝1；

步骤S42，在设计第j个相位面时，其他所有相位面的位置以及相位函数均保持当前状态不变；取所有特征光线和当前第j个相位面的交点P_i(i＝1,2…TR)以及在相位函数空间的投影点P_i,φ(i＝1,2…TR)；为了使光线能够交像面与理想像点I_i,ideal(i＝1,2…TR)，可以得出相位函数空间中P_i,φ处的法向N_i,φ(i＝1,2…TR)；通过拟合可以得到所述相位函数的表达式；这里采用综合考虑数据点坐标和法向的拟合方法；此时得到了第j个相位面的相位函数；将j增加1；

步骤S43，重复步骤S42，直到得到所有相位面的相位函数；将此系统作为新的初始系统；

步骤S44，重复步骤S41至步骤S43，直到像质收敛或者达到规定的迭代步数；此时得到一第二基于平板相位元件的成像光学系统。