混合表面光学系统的设计方法技术方案

一种混合表面光学系统的设计方法，建立初始系统，选K条特征光线；求解其中m条特征光线与球面a的m个交点，得到m个特征数据点，将m个特征数据点拟合得到球面Am；求解第m+1个特征数据点，将m+1个特征数据点拟合得到球面Am+1；以此类推，求解第K个特征数据点，将K个特征数据点拟合得到球面a；以此类推，获得所有球面；以球面光学系统为初始系统，将K条特征光线与球面a的交点作为K个特征数据点；将K个特征数据点进行拟合，得到非球面b；以此类推，获得所有非球面，得到第一混合表面光学系统；第一混合表面光学系统为初始系统，将K条特征光线与非球面b的交点作为K个特征数据点；将K特征数据点进行拟合，得到待求自由曲面c；以此类推，获得所有自由曲面。

Design method of mixed surface optical system

A design method of a hybrid surface optical system is designed to establish an initial system, select the K feature light, and to solve the M intersection between the M feature ray and the spherical a, get the M characteristic data points, fit the M characteristic data points to the spherical Am, solve the m+1 characteristic data point, and fit the m +1 characteristic data points to spherical Am+1. By analogy, the K characteristic data points are solved and the K characteristic data points are fitted to the spherical a. All spheres are obtained by analogy. The spherical optical system is used as the initial system, the intersection of the K feature light and the spherical A is used as the K characteristic data point, and the aspherical B is obtained by fitting the characteristic data points of K, and this kind of B is obtained. The first mixed surface optical system is obtained. The first mixed surface optical system is the initial system, the intersection of the K feature light and the aspherical B is used as the K characteristic data point, and the K characteristic data points are fitted to get the free surface C, and all free surfaces are obtained by analogy.

【技术实现步骤摘要】
混合表面光学系统的设计方法
本专利技术涉及光学领域，尤其涉及一种全视场的、基于逐点构建的混合表面光学系统的设计方法。
技术介绍
在满足光学系统性能指标要求的情况下，使用简单的曲面如球面和非球面代替复杂的曲面如自由曲面来设计光学系统，可以减小成本和降低加工检测的难度。混合表面光学系统的每个表面可以有不同的选择，例如：球面、非球面和自由曲面，因此，混合表面光学系统相对于自由曲面光学系统成本较低且加工检测的难度小。然而，现有的混合表面光学系统的设计方法是通过近轴光学理论求解得到同轴球面系统，然后在后续优化过程中将同轴球面系统转化为离轴混合表面光学系统，该设计方法得到的混合表面光学系统与理想系统的误差较大。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种混合表面光学系统的设计方法，该设计方法得到的混合表面光学系统与理想系统的误差较小。一种混合表面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：S1：建立一第一初始系统，该第一初始系统包括多个初始曲面，且该第一初始系统中的一个初始曲面对应待设计混合表面光学系统中一个曲面，选取来自不同视场不同孔径的K条特征光线；S2：在所述第一初始系统的基础上求解一球面光学系统，具体地，将该球面光学系统中的一个待求球面定义为球面a，保持该多个初始曲面不变，逐点求解K条特征光线中的m条特征光线与球面a的m个交点，得到m个第一特征数据点，m<K，将m个第一特征数据点拟合得到初始球面Am；根据初始球面Am得到第m+1个第一特征数据点Pm+1，将m+1个第一特征数据点拟合得到球面Am+1；以此类推，重复求特征数据点-球面拟合的过程，直到求解得到第K个第一特征数据点PK，将K个第一特征数据点拟合得到球面AK，该球面AK为球面a；以此类推，直到获得该球面光学系统中的所有球面；S3：将待设计混合表面光学系统中的一个待求非球面定义为非球面b，以所述球面光学系统作为第二初始系统，保持球面光学系统中的多个球面不变，将K条特征光线与所述球面a的K个交点作为K个第二特征数据点；将该K个第二特征数据点进行曲面拟合，得到非球面b；以此类推，直到获得待设计混合表面光学系统中所有的待求非球面，进而得到一拥有球面和非球面的第一混合表面光学系统；S4：将待设计混合表面光学系统中的一个待求自由曲面定义为自由曲面c，以所述第一混合表面光学系统作为第三初始系统，保持该第一混合表面光学系统中的非球面不变，将K条特征光线与非球面b的K个交点作为K个第三特征数据点；将该K个第三特征数据点进行曲面拟合，得到待求自由曲面c；以此类推，直到获得待设计混合表面光学系统中所有的待求自由曲面，进而得到待设计的混合表面光学系统。与现有技术相比，本专利技术提供的混合表面光学系统的设计方法，直接在离轴状态下，通过逐点构建的方法求解未知曲面上的特征数据点，并将特征数据点拟合得到混合表面光学系统中的曲面。该方法可以避免现有技术在计算过程中将混合表面光学系统从同轴转化为离轴产生的误差，进而使得到的混合表面光学系统与理想系统的误差较小。而且该方法更具有通用性，对设计人员的经验要求不高。附图说明图1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2为本专利技术实施例提供的全局坐标系与第一局部坐标系的位置关系图。图3为本专利技术实施例提供的求解中间点Gm的示意图。图4为本专利技术实施例提供的求解第m+1个第一特征数据点Pm+1的示意图。图5为本专利技术实施例求解球面三反光学系统的示意图。图6为本专利技术实施例提供的确定第一局部坐标系参数取值的示意图。图7为本专利技术实施例提供的混合表面离轴三反光学系统的示意图。图8为本专利技术实施例提供的的混合表面离轴三反光学系统的各镜面之间的位置关系。图9为本专利技术实施例提供的混合表面离轴三反光学系统的RMS弥散斑直径示意图。图10为本专利技术实施例提供的优化后的混合表面离轴三反光学系统的光路示意图。图11为本专利技术实施例提供的优化后的混合表面离轴三反光学系统的MTF曲线。图12为本专利技术实施例提供的优化后的混合表面离轴三反光学系统的RMS波前误差示意图。主要元件符号说明混合表面离轴三反光学系统100主镜120次镜140三镜160图像传感器180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。具体实施方式下面将结合附图及具体实施例对本专利技术提供的混合表面光学系统的设计方法作进一步的详细说明。一种混合表面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：S1：建立一第一初始系统，该第一初始系统包括多个初始曲面，且该第一初始系统中的一个初始曲面对应待设计混合表面光学系统中一个曲面，选取来自不同视场不同孔径的K条特征光线；S2：在所述第一初始系统的基础上求解一球面光学系统，具体地，将该球面光学系统中的一个待求球面定义为球面a，保持该多个初始曲面不变，逐点求解K条特征光线中的m条特征光线与球面a的m个交点，得到m个第一特征数据点，m<K，将m个第一特征数据点拟合得到初始球面Am；根据初始球面Am得到第m+1个第一特征数据点Pm+1，将m+1个第一特征数据点拟合得到球面Am+1；以此类推，重复求特征数据点-球面拟合的过程，直到求解得到第K个第一特征数据点PK，将K个第一特征数据点拟合得到球面AK，该球面AK为球面a；以此类推，直到获得该球面光学系统中的所有球面；S3：将待设计混合表面光学系统中的一个待求非球面定义为非球面b，以所述球面光学系统作为第二初始系统，保持球面光学系统中的多个球面不变，将K条特征光线与所述球面a的K个交点作为K个第二特征数据点；将该K个第二特征数据点进行曲面拟合，得到非球面b；以此类推，直到获得待设计混合表面光学系统中所有的待求非球面，进而得到一拥有球面和非球面的第一混合表面光学系统；S4：将待设计混合表面光学系统中的一个待求自由曲面定义为自由曲面c，以所述第一混合表面光学系统作为第三初始系统，保持该第一混合表面光学系统中的非球面不变，将K条特征光线与非球面b的K个交点作为K个第三特征数据点；将该K第三特征数据点进行曲面拟合，得到待求自由曲面c；以此类推，直到获得待设计混合表面光学系统中所有的待求自由曲面，进而得到待设计的混合表面光学系统。步骤S1中，所述初始系统的建立以消除遮拦为前提。所述多个初始曲面可以为平面、球面等。本实施例中，所述初始系统包括三个初始平面，该三个初始平面分别是主镜初始平面、次镜初始平面以及三镜初始平面，所述主镜初始平面，次镜初始平面以及三镜初始平面均为具有偏心和倾斜的平面。所述选取来自不同视场不同孔径的K条特征光线Ri(i＝1,2…K)可通过以下方法进行：根据需求选取M个视场，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、椭圆形或其它规则或不规则的形状。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，间隔为因此有沿着每个角度的半径方向取P个不同的孔径位置，那么一共选取K＝M×N×P条对应不同视场不同孔径位置的特征光线。本实施例中，共选取14个离轴视场，该14个离轴视场分别为(0°,-16°)、(0°,-15°)、(0°,-14°)、(0°,-13°)、(0°,-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合表面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：S1：建立一第一初始系统，该第一初始系统包括多个初始曲面，且该第一初始系统中的一个初始曲面对应待设计混合表面光学系统中一个曲面，选取来自不同视场不同孔径的K条特征光线；S2：在所述第一初始系统的基础上求解一球面光学系统，将该球面光学系统中的一个待求球面定义为球面a，保持该多个初始曲面不变，逐点求解K条特征光线中的m条特征光线与球面a的m个交点，得到m个第一特征数据点，m

【技术特征摘要】
1.一种混合表面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：S1：建立一第一初始系统，该第一初始系统包括多个初始曲面，且该第一初始系统中的一个初始曲面对应待设计混合表面光学系统中一个曲面，选取来自不同视场不同孔径的K条特征光线；S2：在所述第一初始系统的基础上求解一球面光学系统，将该球面光学系统中的一个待求球面定义为球面a，保持该多个初始曲面不变，逐点求解K条特征光线中的m条特征光线与球面a的m个交点，得到m个第一特征数据点，m<K，将m个第一特征数据点拟合得到初始球面Am；根据初始球面Am得到第m+1个第一特征数据点Pm+1，将m+1个第一特征数据点拟合得到球面Am+1；以此类推，重复求特征数据点-球面拟合的过程，直到求解得到第K个第一特征数据点PK，将K个第一特征数据点拟合得到球面AK，该球面AK为球面a；以此类推，直到获得该球面光学系统中的所有球面；S3：将待设计混合表面光学系统中的一个待求非球面定义为非球面b，以所述球面光学系统作为第二初始系统，保持球面光学系统中的多个球面不变，将K条特征光线与所述球面a的K个交点作为K个第二特征数据点；将该K个第二特征数据点进行曲面拟合，得到非球面b；以此类推，直到获得待设计混合表面光学系统中所有的待求非球面，进而得到一拥有球面和非球面的第一混合表面光学系统；S4：将待设计混合表面光学系统中的一个待求自由曲面定义为自由曲面c，以所述第一混合表面光学系统作为第三初始系统，保持该第一混合表面光学系统中的非球面不变，将K条特征光线与非球面b的K个交点作为K个第三特征数据点；将该K第三特征数据点进行曲面拟合，得到待求自由曲面c；以此类推，直到获得待设计混合表面光学系统中所有的待求自由曲面，进而得到待设计的混合表面光学系统。2.如权利要求1所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，将所述初始系统所在的空间定义一全局坐标系xyz，其中，光束传播方向定义为z轴，垂直于z轴方向的平面为xoy平面；所述求解第m+1个第一特征数据点Pm+1包括以下步驟：计算一中间点Gm，其计算方法包括：求解所述第一特征数据点Pm处的切平面Tm，该切平面Tm与所述初始球面Am相交得到相贯线Lm；在全局坐标系x0y0z0中，在所述相贯线Lm上，与所述第一特征数据点Pm的x0坐标相同的点定义为中间点Gm；求解第一特征数据点Pm+1，其求解方法包括：在剩余的K-m条特征光线中找到距离所述中间点Gm最近的特征光线，该特征光线为第一特征数据点Pm+1对应的特征光线Rm+1，求解特征光线Rm+1和已知的m+1个第一特征数据点(P1,P2,……Pm,Gm)中距离该第一特征数据点Pm+1最近的点的切平面的交点，该交点为所述第一特征数据点Pm+1。3.如权利要求2所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，所述在剩余的K-m条特征光线中找到距离所述中间点Gm最近的特征光线具体包括以下步骤：根据球面表达式，求得中间点Gm在初始球面Am处的法向nm，进而得到中间点Gm在初始球面Am处的切平面；将中间点Gm的切平面与剩余K-m条特征光线相交，得到K-m个交点，从该K-...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱钧，龚桐桐，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