用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，其包括如下步骤：步骤1、在起始光源面上选取M×N的起始光源阵，则能得到起始光源阵内每个起始发光点的坐标；步骤2、计算得到单自由曲面反射镜上第一条种子曲线，根据种子曲线扩展的方法获得整个自由曲面反射镜上的其余采样点的坐标；步骤3、根据上述获得单的自由曲面反射镜上M×N个采样点的坐标，对单自由曲面反射镜上的所有采样点进行多项式拟合，且利用评价函数对拟合的多项式进行优化，以确定所述多项式的最优拟合系数，生成所需的单自由曲面反射镜。本发明专利技术能有效实现对离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计，提高设计效率，提高设计精度，安全可靠。

Design method of free-form surface for off-axis free-form surface imaging optical system

【技术实现步骤摘要】
用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法
本专利技术涉及一种设计方法，尤其是一种用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，属于离轴光学系统设计的

技术介绍
离轴自由曲面反射成像光学系统具有结构紧凑、无色差、无遮拦等优点，广泛应用于望远镜，超短焦投影物镜，高光谱成像光谱仪等。离轴反射成像光学系统由于是非对称结构，会产生非对称像差，自由曲面作为一种非旋转对称面可以有效地校正这种非对称性像差。此外，自由曲面拥有更高的设计自由度，不仅在校正像差方面有优越性，而且能够减少光学元件的数量，可以使系统的结构更为紧凑。目前，光学系统设计过程都是先找一个合理的初始结构，也就是先假设每个面初始面形，然后对其进行优化，直到最后的面形能够有很好的成像质量，初始面形越接近于最后的面形，后续优化用的时间越短。对于共轴光学系统，有大量的初始结构数据库可以直接选取想要的初始结构，而对于离轴的光学系统很难找到合适的初始结构，因此，发展一种针对离轴光学系统初始结构设计方法，具有非常重要的意义。
技术实现思路
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【技术保护点】
1.一种用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，所述离轴自由曲面成像光学系统包括起始光源面、像点E(x′，y′，z′)及位于起始光源面与像点E(x′，y′，z′)之间的自由曲面组，其特征是：通过自由曲面组能将起始光源面出射的光线反射到像点E(x′，y′，z′)，自由曲面组为单自由曲面反射镜时，所述设计方法包括如下步骤：/n步骤1、在起始光源面上选取M×N的起始光源阵，则能得到起始光源阵内每个起始发光点的坐标，对于起始光源阵内的任一起始发光点S

【技术特征摘要】
1.一种用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，所述离轴自由曲面成像光学系统包括起始光源面、像点E(x′，y′，z′)及位于起始光源面与像点E(x′，y′，z′)之间的自由曲面组，其特征是：通过自由曲面组能将起始光源面出射的光线反射到像点E(x′，y′，z′)，自由曲面组为单自由曲面反射镜时，所述设计方法包括如下步骤：
步骤1、在起始光源面上选取M×N的起始光源阵，则能得到起始光源阵内每个起始发光点的坐标，对于起始光源阵内的任一起始发光点Std(Xtd,Ytd,Ztd)，起始发光点Std出射的光线rtd为单自由曲面反射镜的入射光线，rt'd为经过单自由曲面反射镜反射后的出射光线，Ptd(xtd,ytd,ztd)为光线rtd与单自由曲面反射镜相交形成的采样点；
步骤2、根据起始光源阵内第一列发光点、像点E(x′，y′，z′)、单自由曲面反射镜的采样点P11的坐标，建立相邻两个采样点之间的迭代关系，计算得到单自由曲面反射镜上第一条种子曲线，根据种子曲线扩展的方法获得整个自由曲面反射镜上的其余采样点的坐标；
步骤3、根据上述获得单的自由曲面反射镜上M×N个采样点的坐标，对单自由曲面反射镜上的所有采样点进行多项式拟合，且利用评价函数对拟合的多项式进行优化，以确定所述多项式的最优拟合系数，生成所需的单自由曲面反射镜。


2.根据权利要求1所述的用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，其特征是，步骤2中，具体包括如下步骤：
步骤2.1、对于起始光源阵的起始发光点S11以及单自由曲面反射镜上与起始发光点S11对应的采样点P11(x11,y11,z11)，以及像点E(x′，y′，z′)，则入射光线r11以及出射光线r’11的矢量为：






从而能得到过采样点P11(x11,y11,z11)的切平面的法向矢量N11，所述法向矢量N11为：



步骤2.2、将起始发光点S12发出的光线r12与采样点P11切平面的交点作为单自由曲面的采样点P12，这样可以得到采样点P12，光线r12经过采样点P12反射后入射到像点E(x′，y′，z′)，这样可以得到入射光线矢量和出射光线矢量，可以计算出采样点P12的法向矢量为N12以及切平面；
步骤2.3、重复上述步骤能得到起始光源阵内第一行内其余起始发光点对应的采样点坐标，将与起始光源阵内第一行起始发光点对应的采样点连接后能得到第一条种子曲线；
步骤2.4、将起始发光点S21发出的光线r21与采样点P11切平面的交点作为单自由曲面的采样点P21，从而能计算得到采样点P21，光线经r21过采样点P21反射后入射到像点E(x′，y′，z′)，这样可以得到入射光线矢量和出射光线矢量，可以计算出采样点P21的法向矢量N21以及切平面；
步骤2.5、重复上述步骤能得到起始光源阵内第二行其余起始发光点对应在单自由曲面上的采样点坐标，将与起始光源阵内第二行起始发光点对应的采样点连接后能得到第二条采样曲线；
步骤2.6、重复上述步骤2.4以及步骤2.5中构建第i条采样曲线和第i+1条采样曲线的迭代关系，能确定得到后续其余的采样曲线以及用于形成所在采样曲线的采样点坐标，从而能得到单自由曲面反射镜上所有采样点的坐标。


3.根据权利要求1所述的用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，其特征是，步骤3中，拟合的多项式为Zernike多项式、Chebyshev多项式或扩展多项式；
采用扩展多项式拟合时，具体为：



c是单自由曲面反射镜的曲率，λ是圆锥系数，Ai是第i个多项式系数；
为了寻找最佳拟合系数(c,k,Ai)，构建一评价函数



其中zi上述计算过程中得到单自由曲面反射镜上各采样点的z坐标，(xi,yi)为上述计算过程中得到单自由曲面反射镜上各采样点的(x,y)坐标；拟合系数(c,k,Ai)是评价函数的自变量，使用全局优化算法遗传算法，退火算法等来寻找评价...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏宙平，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32