Chinese Optics核心期刊光学系统降敏设计方法综述孟庆宇秦子长任成明戚允升Review of optical systems'desensitization design methodsMENG Qing-yu,QIN Zi-chang.REN Cheng-ming.QI Yun-sheng引用本文：孟庆宇，秦子长，任成明，戚允升.光学系统降敏设计方法综述D.中国光学，2022,15(5)：863-877.d010.37188/C0.2022-0096MENG Qing-yu,QIN Zi-chang.REN Cheng-ming.QI Yun-sheng.Review of optical systems desensitization design methods[J].Chinese Optics,,2022,15(5):863-877.doi10.37188/C0.2022-0096在线阅读View online:https::J/doi.org10.37188/C0.2022-0096您可能感兴趣的其他文章Articles you may be interested in大视场高像质简单光学系统的光学-算法协同设计Optical/algorithmic co-design of large-field high-quality simple optical system中国光学（中英文）.2019,12(5：1090 https:1doi.org/10.3788/C0.20191205.1090多角度耦合分幅相机光学系统设计Optical system design of multi-angle coupled framing camera中国光学（中英文）.2018,11(4：615htps/oi.og10.3788/C0.20181104.0615大相对孔径紫外成像仪光学系统设计Design of large aperture ultraviolet optical system for ultraviolet camera中国光学（中英文）.2018,11(2：212 https://doi..og10.3788C0.20181102.0212激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计Design of micro-optical system for laser displacement sensor sensing probe中国光学（中英文）.2018,11(6：1001 https:doi.org10.3788/C0.20181106.1001分孔径红外偏振成像仪光学系统设计Design of decentered aperture-divided optical system of infrared polarization imager中国光学（中英文）.2018,11(1：92htps/doi.og10.3788/C0.20181101.0092简单光学系统的宽光谱点扩散函数估计Wide-spectrum PSF estimation for simple optical system中国光学（中英文）.2019,12(6：1418 https:/doi.org/10.3788/C0.20191206.1418第15卷第5期中国光学（中英文）Vol.15 No.52022年9月Chinese OpticsSept.2022文章编号2097-1842(2022)05-0863-15光学系统降敏设计方法综述(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2.中国科学院大学，北京100049)摘要：光学系统性能的有效实现不仅依靠成像质量的设计结果，还受制于光学加工公差、装配公差、环境公差等多种公差的可实现性。具备低误差敏感度特征的光学系统，公差精度要求宽松，可以更好地抵抗误差引起的像质退化，在降低制造成本的同时.有效地提高了光学系统的可实现性，因此降低误差敏感度是光学系统设计应考虑的重要环节。本文分析了光学系统误差敏感度研究现状，总结了典型的光学系统降敏方法，并对这些方法在光学系统设计中的应用进行概述。最后，对光学系统低误差敏感度设计方法的未来发展进行了展望。关键词：误差敏感度：降敏设计方法；光学系统设计中图分类号：0439文献标志码：Adoi:10.37188C0.2022-0096Review of optical systems'desensitization design methodsMENG Qing-yu'',QIN Zi-chang'2,REN Cheng-ming'2,QI Yun-sheng'2(1.Changchum Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;Corresponding author,E-mail:mengqy@ciomp.ac.cnAbstract:The effective realization of desired optical system performances depends not only on the designresults of imaging quality,but also on the realizability of various tolerances such as optical manufacturingtolerances,assembly tolerances,and environmental tolerances.An optical system with low error sensitivityrelaxes tolerance requirements,which can better resist image quality degradation disturbed by errors.Whilereducing manufacturing costs,it effectively improves the realizability of an optical system,thereby reducingerror sensitivity.It is an important link that should be considered in optical system design.This paper ana-lyzes and summarizes the research status of optical system error sensitivity,summarizes typical optical sys-tem desensitization methods,and summarizes the application of these methods in optical system design.Fi-nally,potential future development directions for low error sensitivity design methods for optical systems areprovided.Key words:error sensitivity;desensitization design method;optical system design收稿日期：2022-05-10：修订日期：2022-06-14基金项目：中国科学院青年创新促进会(N0.2019219):中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划(No.YSBR-066):国家自然科学基金(No.61705220)Supported by the Youth Innovation Promotion Association of the Chinese Academy of Sciences (No.2019219);CAS Project for Young Scientists in Basic Research,Grant (No.YSBR-066);National Natural Sci-ence Foundtion of China (No.61705220)864中国光学（中英文）第15卷最为简明的设计方法。该类方法属于定性设计方1引言法，设计过程中并不探寻、关注与误差敏感度具有深层数学机理关系的光学系统特征参数，只需获得更高的技术指标、实现更好的成像性能要寻找与光学系统误差敏感度具有高相关趋势的是光学系统发展不变的追求。面向应用需求的不条件因素，通过对条件因素的控制，获得低误差敏断提升，光学系统向着大尺度、高精度、复杂化等感度的光学系统。方向发展，由此给光学系统带来了本征像差校正2.1全局优化法难度大、失调衍生像差量级大、系统集成装调复全局优化法是被较早提出的光学系统低误差杂度高等相应问题。光学系统误差敏感度变高，敏感度设计方法。全局优化法采用大样本优化迭使误差分配越发严苛，给光学系统的实现带来了代，从大量的设计样本中选取公差鲁棒性较好的较高的制造成本与时间消耗。系统，直接获得低误差敏感度光学系统。由于该反射式光学系统作为大尺度光学系统的代方法缺少误差敏感度理论作为强指导，因此获取表，虽然构型相对简单，光学元件数量少，但像差设计结果的效率低且具有盲目性。但由于该方法随着焦距与口径的增大呈幂指数增长，导致微小具备一定的实用性，且无需具备较多的误差敏感的误差扰动即会引起像质的大幅退化。以光刻物度理论基础，在工程设计中仍被采用。镜为代表的一些应用复杂光学曲面、采用离轴或20世纪80年代末到90年代初，KUPERT,非共轴方案的光学系统，虽然尺度不大，但是由于极限像质要求，光学元件的初始装调误差要求即FORBES G,JONES A等人提出了全局优化法-1。小于1μm和1“。高精度的误差要求，给先进光全局优化法可以在一定范围内搜索符合条件的光学仪器的制造带来了巨大挑战，也带来了巨大的学系统的最优解。2006年，Optical Research As-消耗4。sociates(ORA)的McGuire提出了一种可以降低无论反射式光学系统还是透射式光学系统，镜头制造难度的设计方法，方法的核心是全局优光学系统的设计与优化，都不能单一追求对像差化法，但不同的是，McGuire通过全局搜索优化获的完美校正，应该同步兼顾良好的工程可实现得一组光学系统后，将各种误差引起的光学系统性。误差敏感度作为表征光学系统对误差或失调波前误差(Wave Front Error,.WFE)变化量进行排扰动的敏感程度，是衡量光学性能能否从设计到序，并与平均值进行比较，找到对误差敏感度影响实现的重要指标。具备低误差敏感度特征的光学最大的误差类型，再针对该误差类型进行光学系系统不仅可以更好地抵抗由光学元件直接误差或统优化，获得敏感度较低的系统。图1为全局搜间接误差引起的像质退化，而且可以在光学系统索后的光学系统误差敏感度排序，其中显示对误实现过程中有效节约时间和经济成本。因此，差敏感度影响最大的误差类型为偏心。开展对光学系统低误差敏感度设计（降敏设计）方法的研究，对光学系统设计与实现具有重要的理Global search:change to RMSWFE due to perturbations0.16论和现实意义。Best as-built0.14Average本文介绍了光学系统低误差敏感度设计方法的研究现状与进展，对直接优化法、参数控制法、像差控制法等5大类数10种典型的设计方法进0.08行了分类与总结，并对一些设计方法的应用情况0.060.04进行了概述。最后，对光学系统低误差敏感度设0.02计的未来发展进行讨论与展望。curv thick tilt dec.Perturbation2直接优化法图1光学系统不同误差类型的敏感度表现，Fig.I Sensitivity performance of different error types of直接优化法是光学系统降敏设计方法中一类