[发明专利]一种控制变形像差的光学设计方法

说明书

打破传统光学设计理念，提出一种考虑控制变形像差的光学设计新方法，对反射镜面形最优解的确定不仅考虑校正理想态下的固有几何像差，还考虑补偿反射镜热、重力、机械变形引起的附加像差。在不加入辅助设备的情况下，实现对变形像差的高效控制，提高光学系统在实际应用中的成像性能，降低系统的复杂度和成本。

技术领域

本发明应用于设计需要控制热、重力和机械变形像差的高分辨成像光学系统。通过光学设计手段，控制变形引起的附加像差，提高光学系统在实际应用中的光学性能。

背景技术

高分辨成像光学系统在实际应用中，由于受到热辐射、重力和机械支撑结构作用力的影响，光学元件会发生一定程度的变形，这一变形将引起光学系统的附加像差(以下简称“变形像差”)，导致系统的分辨力下降，无法满足使用要求。

采用特殊的辅助装置是控制变形像差的重要手段。如，采用挠性支撑结构对元件的重力变形进行控制；采用液流或者气流的装置控制元件的温度，实现对热变形的控制；光学自适应装置依据波像差检测信息通过控制系统来控制变形镜面形，从而实现对变形像差的高精度补偿控制。虽然这种手段可以在一定程度上有效的控制变形像差，但附加装置的引入会极大地增加系统复杂度和成本，尤其是对于小成本预算的光学系统，不利于系统的产业化。

利用光学设计手段，通过光学系统自身的结构属性来控制变形像差，即可保证高成像性能，又能降低系统成本和复杂度，是控制变形像差的新捷径。然而，传统光学设计方法聚焦在校正初始结构的固有几何像差，很少对实际应用中变形引起的附加像差进行控制。

光学系统无热化设计方法对仅由温度变化引起的折射率变化和热膨胀进行补偿，但并不能补偿由热、重力、机械支撑结构变形引起的附加像差，无法根本解决变形对光学系统成像性能影响的问题。

对于全反射式光学系统，反射镜厚度和边缘宽度的变化在理论上对系统成像性能没有影响，但与其热结构变形量有直接关系，因此，有研究通过优化调整反射镜的厚度的边缘宽度来控制变形，实现减小变形像差的目的。但是，由于加工和空间限制，反射镜厚度和边缘宽度调节范围有限，该方法对变形像差的控制效果并不显著，大约仅能降低10％左右。

发明内容

本发明的目的在于：打破传统光学设计理念，提出一种考虑控制变形像差的光学设计新方法，对反射镜面形最优解的确定不仅考虑校正理想态下的固有几何像差，还考虑补偿反射镜热、重力、机械变形引起的附加像差。在不加入辅助设备的情况下，实现对变形像差的高效控制，提高光学系统在实际应用中的成像性能，降低系统的复杂度和成本。

本发明的技术方案如下：一种控制变形像差的光学设计方法，包括以下步骤：

S1：一套包含n个非球面的光学系统；设这个系统中第j次修改后的第i个表面变形后的离球量为

ΔZ_i,j＝ΔZ_i+ΔM_i,j+Δd_i,j (1)

S2：光学系统的n个非球面在各个状态下仅离球量发生改变，因此变形像差W_T,j被表示为各个非球面离球量的函数，即

W_T,j＝f(ΔZ_1,j,…,ΔZ_i,j,…,ΔZ_n,j) (2)

j＝0表示各个非球面的离球量并未进行修改，因此

ΔM_i,0＝0 (3)

对应的非球面表面离球量为

ΔZ_i,0＝ΔZ_i+Δd_i,0 (4)