自由曲面离轴光学系统的设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种自由曲面离轴光学系统的设计方法，包括：S1：建立一初始系统；S2：选取特征光线，逐点求解所述特征光线与自由曲面a上的多个特征数据点，将该多个特征数据点进行曲面拟合，得到自由曲面a；S3：使所述特征光线交目标面于理想目标点，逐点求解特征光线与自由曲面b的多个特征数据点，将该多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面b；S4：以此类推，直到获得待设计自由曲面离轴光学系统中所有待求的自由曲面，得到一自由曲面离轴光学系统；以及S5：将S4中的自由曲面离轴光学系统再次作为初始系统，经过多次迭代，得到最终的自由曲面离轴光学系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学设计领域，特别涉及一种基于逐点构建与迭代的自由曲面离轴光学系统的设计方法。
技术介绍
自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称的，结构灵活，变量较多，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差，减小系统的体积、重量与镜片数量，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前景。成像光学系统要实现视场大小与孔径大小一定的成像，需要在成像系统设计中控制不同视场不同孔径位置的光线。由于自由曲面有非对称面并提供了更多的设计自由度，他们常被用在离轴非对称系统中。现有的自由曲面离轴光学系统的设计方法通常是通过直接构建以及后续优化的方法得到自由曲面离轴光学系统，该方法得到的自由曲面离轴光学系统的成像质量较差且畸变较大，平均RMS弥散斑直径较大，而且后续优化也十分困难甚至优化失败。
技术实现思路
综上所述，确有必要提供一种自由曲面离轴光学系统的设计方法，该方法设计出的自由曲面离轴光学系统的成像质量较好且畸变及平均RMS弥散斑直径均较小。一种自由曲面离轴光学系统的设计方法，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曲面，且该初始系统中的一个初始曲面对应待设计自由曲面离轴光学系统中一个曲面；步骤S2，将自由曲面a定义为待设计自由曲面离轴光学系统中的一个待求的自由曲面，保持所述多个初始曲面不变，选取K条特征光线，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述K条特征光线与自由曲面a上的多个交点，进而得到自由曲面a上的多个特征数据点Pi(i=0,1,2…K)，将该自由曲面a上多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面a，该自由曲面a的方程式包括一二次曲面项和一自由曲面项；步骤S3，将自由曲面b定义为待设计自由曲面离轴光学系统中的另一个自由曲面，保持所述自由曲面a以及自由曲面a对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解特征光线与自由曲面b的多个交点，进而得到自由曲面b上的多个特征数据点，将该自由曲面b上的多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面b，该自由曲面b的方程式包括一二次曲面项和一自由曲面项；步骤S4，以此类推，直到获得待设计自由曲面离轴光学系统中所有待求的自由曲面，得到一自由曲面离轴光学系统；以及步骤S5，将步骤S4中得到的所述自由曲面离轴光学系统再次作为初始系统，进行多次迭代过程，得到最终的自由曲面离轴光学系统。相较于现有技术，本专利技术提供的自由曲面离轴光学系统的设计方法，将逐点构建得到的自由曲面离轴光学系统再次作为初始系统，经过多次迭代，直到特征光线与目标面的实际交点接近理想目标点，进而提了高自由曲面离轴光学系统的成像质量，降低自由曲面离轴光学系统的畸变和平均RMS弥散斑直径，方法简单。附图说明图1为本专利技术实施例提供的自由曲面离轴光学系统中每个视场中特征光线选择方法示意图。图2为本专利技术实施例提供的求解特征数据点时特征光线起点与终点示意图。图3为本专利技术实施例提供的自由曲面离轴光学系统的迭代方式。图4为本专利技术提供的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。图5为本专利技术实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的初始系统的光路示意图。图6为本专利技术实施例提供的迭代前的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。图7为本专利技术实施例提供的迭代前的自由曲面离轴三反光学系统的畸变网格图。图8为本专利技术实施例提供的迭代后的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。图9为本专利技术实施例提供的迭代后的自由曲面离轴三反光学系统的畸变网格图。图10为迭代前后的自由曲面离轴三反光学系统的平均RMS弥散斑直径的对比图。图11为本专利技术实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的RMS弥散斑直径随迭代次数的变化曲线。图12为本专利技术实施例提供的优化后的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。图13为本专利技术实施例提供的优化后的自由曲面离轴三反光学系统的MTF曲线。图14为本专利技术实施例提供的优化后的自由曲面离轴三反光学系统的畸变网格图。主要元件符号说明自由曲面离轴三反光学系统100主镜初始平面122次镜初始平面142三镜初始平面162主镜120次镜140三镜160目标面180未迭代的主镜220未迭代的三镜260如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式下面根据说明书附图并结合具体实施例对本专利技术的技术方案进一步详细表述。本专利技术提供一种自由曲面离轴光学系统的设计方法，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曲面，且该初始系统中的一个初始曲面对应待设计自由曲面离轴光学系统中一个曲面；步骤S2，将自由曲面a定义为待设计自由曲面离轴光学系统中的一个待求自由曲面，保持所述多个初始曲面不变，选取K条特征光线Ri(i=1,2…K)，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述K条特征光线与自由曲面a上的多个交点，进而得到自由曲面a上的多个特征数据点，将该自由曲面a上多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面a，该自由曲面a的方程式包括一二次曲面项和一自由曲面项；步骤S3，将自由曲面b定义为待设计自由曲面离轴光学系统中的另一个待求自由曲面，保持所述自由曲面a以及自由曲面a对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述K条特征光线与自由曲面b的多个交点，进而得到所述自由曲面b上的多个特征数据点，将该自由曲面b上的多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述所述自由曲面b，该自由曲面b的方程式包括一二次曲面项和一自由曲面项；步骤S4，以此类推，直到获得待设计自由曲面离轴光学系统中所有待求自由曲面，得到一自由曲面离轴光学系统；以及步骤S5，将步骤S4中得到的所述自由曲面离轴光学系统再次作为初始系统，经过多次迭代，得到最终的自由曲面离轴光学系统。步骤S1中，所述多个初始曲面可以为平面、球面等。所述多个初始曲面的具体位置根据待设计自由曲面离轴光学系统的实际需要进行选择。步骤S2中，所述K条特征光线的选取可通过以下方法进行：根据需求选取M个视场，并将每个视场的孔径分成N等份，并从每一等份中选取不同孔径位置的P条特征光线，这样一共选取了K=M×N×P条对应不同视场不同孔径位置的特征光线。所述孔径可以为圆形、长方形、正方形、椭圆形或其他规则或不规则的形状。请参阅图1，优选的，所述视场孔径为圆形孔径，将每个视场的圆形孔径等分成N个角度，间隔为φ，因此有N=2π/φ，沿着每个角度的半径方向取P个不同的孔径位置，那么一共取K=M×N×P条对应不同视场不同孔径位置的特征光线。请一并参阅图2，为了得到一个待求的自由曲面Ω上的所有特征数据点Pi(i=1,2…K)，将借助特征光线Ri(i=1,2…K)与待求的自由曲面Ω的前一个曲面Ω'及后一个曲面Ω''的交点。在求解每条特征光线Ri(i=1,2…K)对应的待求的自由曲面Ω上的特征数据点Pi(i=1,2…K)时，将该特征光线Ri与前一个曲面Ω'的交点定义为该特征光线的起点Si，特征光线Ri与后一个曲面Ω''的交点定义为该特征光线的终点Ei。当待设计的系统与特征光线确定后，该特征光线Ri的起点Si是确定的，且易于通过光线追迹即物像关系得到，特征光线的终点Ei可通过物像关系求解。在理想状态下，特征光线Ri从Ω'上的Si射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由曲面离轴光学系统的设计方法，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曲面，且该初始系统中的一个初始曲面对应待设计自由曲面离轴光学系统中一个曲面；步骤S2，将自由曲面a定义为待设计自由曲面离轴光学系统中的一个待求的自由曲面，保持所述多个初始曲面不变，选取K条特征光线，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述K条特征光线与自由曲面a上的多个交点，进而得到自由曲面a上的多个特征数据点Pi(i=0,1,2…K)，将该自由曲面a上多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面a，该自由曲面a的方程式包括一二次曲面项和一自由曲面项；步骤S3，将自由曲面b定义为待设计自由曲面离轴光学系统中的另一个自由曲面，保持所述自由曲面a以及自由曲面a对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解特征光线与自由曲面b的多个交点，进而得到自由曲面b上的多个特征数据点，将该自由曲面b上的多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面b，该自由曲面b的方程式包括一二次曲面项和一自由曲面项；步骤S4，以此类推，直到获得待设计自由曲面离轴光学系统中所有待求的自由曲面，得到一自由曲面离轴光学系统；以及步骤S5，将步骤S4中得到的所述自由曲面离轴光学系统再次作为初始系统，进行多次迭代过程，得到最终的自由曲面离轴光学系统。...

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面离轴光学系统的设计方法，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曲面，且该初始系统中的一个初始曲面对应待设计自由曲面离轴光学系统中一个曲面；步骤S2，将自由曲面a定义为待设计自由曲面离轴光学系统中的一个待求的自由曲面，保持所述多个初始曲面不变，选取K条特征光线，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述K条特征光线与自由曲面a上的多个交点，进而得到自由曲面a上的多个特征数据点Pi(i=0,1,2…K)，将该自由曲面a上多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面a，该自由曲面a的方程式包括一二次曲面项和一自由曲面项；步骤S3，将自由曲面b定义为待设计自由曲面离轴光学系统中的另一个自由曲面，保持所述自由曲面a以及自由曲面a对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解特征光线与自由曲面b的多个交点，进而得到自由曲面b上的多个特征数据点，将该自由曲面b上的多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面b，该自由曲面b的方程式包括一二次曲面项和一自由曲面项；步骤S4，以此类推，直到获得待设计自由曲面离轴光学系统中所有待求的自由曲面，得到一自由曲面离轴光学系统；以及步骤S5，将步骤S4中得到的所述自由曲面离轴光学系统再次作为初始系统，进行多次迭代过程，得到最终的自由曲面离轴光学系统。2.如权利要求1所述的自由曲面离轴光学系统的设计方法，其特征在于，所述自由曲面a上的特征数据点Pi(i=0,1,2…K)的求解包括以下步骤：步骤a，取定一第一条特征光线R1与所述自由曲面a对应的初始曲面的第一交点为特征数据点P1；步骤b，在得到i(1≤i≤K−1)个特征数据点Pi后，根据斯涅尔定律的矢量形式求解该特征数据点Pi处的单位法向量 ；步骤c，过所述i(1≤i≤K−1)个特征数据点Pi分别做一第一切平面，得到i个第一切平面，该i个第一切平面与其余K−i条特征光线相交得到i×(K−i)个第二交点，从该i×(K−i)个第二交点中选取出与所述i(1≤i≤K−1)个特征数据点Pi距离最近的一个第二交点，作为所述自由曲面a的下一个特征数据点Pi+1；步骤d，重复步骤b和c，直到计算得到所有特征数据点Pi(i=1,2…K)。3.如权利要求1所述的自由曲面离轴光学系统的设计方法，所述自由曲面a上的特征数据点Pi(i=0,1,2…K)的求解包括以下步骤：步骤a'，取定一第一条特征光线R1与所述自由曲面a对应的初始曲面的第一交点为特征数据点P1；步骤b'，在得到第i(1≤i≤K−1)个特征数据点Pi后，根据斯涅尔定律的矢量形式求解第i个特征数据点Pi处的单位法向量，进而求得Pi处的单位切向量；步骤c'，仅过所述第i(1≤i≤K−1)个特征数据点Pi做一第一切平面并与其余K−i条特征光线相交，得到K−i个第二交点，从该K−i个第二交点中选取出与所述第i个特征数据点Pi距离最短的第二交点Qi+1，并将其对应的特征光线及与所述第i个特征数据点Pi的最短距离分别定义为Ri+1和D；步骤d'，过特征数据点Pi(1≤i≤K−1)之前已求得的i−1个特征数据点i分别做一第二切平面，得到i−1个第二切平面，该i−1个第二切平面与所述特征光线Ri+1相交得到i−1个第三交点，在每一第二切平面上每一第三交点与其所对应的特征数据点Pi形成一交点对，在所述交点对中，选出交点对中距离最短的一对，并将距离最短的交点对的第三交点和最短距离分别定义为Q(i+1)'和Di'；步骤e'，比较Di与Di'，如果Di≤Di'，则把Qi+1取为下一个特征数据点Pi+1，反之，则把Q(i+1)'取为下一个特征数据点Pi+1；以及步骤f'，重复步骤b'到e'，直到计算得到所有特征数据点Pi。4.如权利要求1所述的自由曲面离轴光学系统的设计方法，其特征在于，所述所有待求的自由曲面的方程式均为：，其中，是二次曲面项，c是二次曲面顶点处的曲率，k是二次曲面系数；是自由曲面项，Aj为每项对应的系数。5.如权利要求1所述的自由曲面离轴光学系统的设计方法，其特征在于，所述将自由曲面a上的多个特征数据点进行曲面拟合包括以下步骤：S21：将所述多个特征数据点Pi(i=1,2…K)在所述第一直角坐标系中拟合成一球面，得到所述球面的曲率c及其对应的曲率中心(xc, yc, zc)，S22：将中心采样视场主光线对应的特征数据点(xo, yo, zo)定义为球面的顶点，并以该球面的顶点为原点，过曲率中心与球面顶点的直线为z轴，建立一第二三维直角坐标系；S23：将所述多个特征数据点Pi(i=1,2…K)在第一三维直角坐标系中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱钧，杨通，吴晓飞，金国藩，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11