[发明专利]基于平板相位元件的成像光学系统的设计方法

说明书

本发明涉及一种基于平板相位元件的成像光学系统的设计方法，包括：建立初始系统；选取特征光线；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；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；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。

技术领域

本发明涉及光学设计领域，尤其涉及一种基于平板相位元件的成像光学系统的设计方法。

背景技术

成像光学系统在日常生活、科学研究、医疗、工业、国防等方面有非常重要的应用。随着科学技术的不断发展，人们对成像系统的要求越来越高，非球面和自由曲面等高级曲面也被逐步引入到成像光学系统设计中。一般来说，成像系统是由传统几何曲面组成的。但是此类系统有一些固有的缺陷：首先，传统基于几何曲面的系统经常使用大块的光学材料或镜面基底材料来实现复杂的光学面形，从而造成系统重量和体积较大；第二，对于紧凑型光学系统设计，光线经常需要在系统中实现大角度折转，从而可能对应于极度非常规的几何面形；第三，采用非对称结构的系统的装调难度极大。而使用非对称的自由曲面会进一步加大装调难度。

相位元件可以通过另一种方式来调控光线。而平板相位元件有重要的应用价值。相对于传统几何曲面元件，使用平板相位元件可以有效降低系统的重量和体积；此外，采用平板相位元件可以大大降低系统的装调难度。常见的平板元件有两类：一类是基于衍射面的平板相位元件，另一类是基于超颖表面的相位元件。

设计由平板相位元件组成的成像系统即是求解得到每一个元件的相位函数。现有的一大类相位求解方法是数值化的相位恢复方法，例如G-S方法、快速傅里叶变换方法、模拟退火法等。但上述方法一般应用于光束整形等非成像系统设计。一般来说，成像系统设计希望得到解析形式的相位函数。因此针对有解析形式相位函数的包含相位面的系统设计一般是先找到一个好的初始结构，然后进行计算机辅助优化。然而对于由平板相位元件组成的成像系统设计，尤其是结构非对称的系统设计，可用的初始结构几乎没有，导致设计非常困难。Mendes-Lopes等人提出了一种改进的SMS方法，可以根据成像要求实现衍射面的逐点求解。但该方法只适用于使用一到二个相位面控制两到三个波面，且系统限于回转对称。而成像光学系统设计的基本要求是要控制多视场多孔径的光线，且能够实现多曲面以及离轴非对称光学系统的设计。综上，目前尚无有效的设计基于平板相位元件的离轴非对称成像光学系统的方法

发明内容

综上所述，确有必要提供一种基于平板相位元件的成像光学系统的设计方法。

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，每个平面无相位函数。

步骤S2，在全视场和全孔径范围内选取K条特征光线R_i(i＝1,2…K)，根据物像关系求解所述K条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。