[发明专利]自由曲面离轴反射系统的光场信息获取方法及优化方法

说明书

本发明提供自由曲面离轴反射系统的光场信息获取方法及优化方法，其中自由曲面离轴反射系统的光场信息获取方法，包括以下步骤：根据自由空间的光场信息及自由曲面离轴光学元件处的光场信息得到自由曲面离轴反射系统的光场信息；其中，自由曲面离轴光学元件处的光场信息的获取包括以下步骤：将自由曲面离轴光学元件的输入光场分解为高斯光束的叠加；用复射线跟踪等效所述高斯光束通过自由曲面离轴光学元件的传播；将传播后的高斯光束组合得到输出自由曲面离轴光学元件的光场信息。本发明在光场信息获取时考虑了光传播的衍射效应，能够获取更准确的自由曲面离轴反射系统的光场信息，从而能够对自由曲面离轴反射系统进行合理优化。

技术领域

本发明涉及场追踪技术领域，尤其涉及自由曲面离轴反射系统的光场信息获取方法及优化方法。

背景技术

随着科学技术的发展和进步，自由曲面光学元件广泛应用于光学系统中，为光学设计提供了更多的自由度，提高了光学系统的性能。现有的光学系统建模方法基于几何光线追迹实现，无法实现对实际光学系统存在的衍射等物理效应的仿真，仅凭借几何光线追迹原理设计光学系统的方法存在局限性。物理光学用复函数表示光波，通过建立波动方程描述光传播的物理过程，求解波动方程的方法称为标量衍射理论。在此框架下发展了基尔霍夫公式、瑞利—索末菲公式及衍射的角谱公式来准确地表示光传播的物理过程。根据这些公式，可以计算空间中垂直于已知光场平面前后的空间光场分布。将矩阵光学与标量衍射理论相结合，可导出表述傍轴光学系统中光场传播的广义理论公式——柯林斯公式。但上述公式仍无法获取在包含自由曲面离轴反射光学元件的光学系统中传播的光场信息，进而无法对自由曲面光学系统进行合理优化。

发明内容

本发明的目的在于解决获取更准确的自由曲面离轴反射系统的光场信息的问题，提供自由曲面离轴反射系统的光场信息获取方法及优化方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

自由曲面离轴反射系统的光场信息获取方法，包括以下步骤：

S1:根据自由空间的光场信息及自由曲面离轴光学元件处的光场信息得到自由曲面离轴反射系统的光场信息；

其中，自由曲面离轴光学元件处的光场信息的获取包括以下步骤：

S11:将自由曲面离轴光学元件的输入光场分解为高斯光束的叠加；

S12:用复射线跟踪等效所述高斯光束通过自由曲面离轴光学元件的传播；

S13:将传播后的高斯光束组合得到输出自由曲面离轴光学元件的光场信息。

在一些实施例中，使用角谱公式获取自由空间中的光场信息。

在一些实施例中，自由空间中平面z处的光场由以下公式表示：

其中，E_l(x,y,z)表示光场，k_x,k_y,k_z分别为波矢量k在x,y,z方向上的分量，算子表示二维逆傅里叶变换，表示光场E_l的角谱。

在一些实施例中，步骤S11中，所述高斯光束满足以下特征：单个高斯光束对应的基射线垂直于局部波前、单个高斯光束的主曲率匹配任意光场的局部主曲率、高斯光束具有适当的波束直径与相邻波束分离的比例、高斯光束的密度足以在相关应用中对孔径或波前进行充分采样。

在一些实施例中，步骤S12中，所述复射线包括基射线、次级发散射线、次级平行腰射线；所述基射线为与高斯光束光轴重合、沿高斯光束传播方向的射线；所述次级发散射线为以束腰位置为起点、与光轴夹角为θ的射线；所述次级平行腰射线为距基射线的距离w₀、与基射线平行的射线；其中θ表示远场发散角，w₀表示高斯光束的腰斑半径。