自由曲面离轴三反成像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成像系统的设计方法，包括以下步骤：建立初始系统并选取多套物像关系的特征视场；使用多套物像关系的光线，同时将所述初始系统构建为自由曲面系统；以及，将上一步骤中得到自由曲面系统作为初始系统，使用迭代过程减小特征光线与特征面的实际交点与理想目标点的偏差，对所述自由曲面系统中的自由曲面进行迭代重构，待平均RMS弥散斑不再缩小时，得到待设计的自由曲面离轴成像系统。

【技术实现步骤摘要】
自由曲面离轴三反成像系统的设计方法
本专利技术涉及光学设计领域，尤其涉及一种自由曲面离轴三反成像系统的设计方法。
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。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成像系统普遍采用直接设计方法得到，如微分方程法，多曲面同步设计方法和逐点构建与迭代方法，然而，现有的设计方法在设计过程中只能考虑有限数量的视场，在设计同时具有多套性能参数的的自由曲面离轴成像系统时具有局限性。
技术实现思路
综上所述，确有必要提供一种自由曲面离轴成像系统的设计方法，该方法在设计过程中，可以考虑多套物像关系，而且采用该设计方法可以得到同时多套性能参数的自由曲面离轴成像系统。一种自由曲面离轴三反成像系统的设计方法，包括以下步骤：建立初始系统并选取多套物像关系的特征视场；使用多套物像关系的光线，同时将所述初始系统构建为自由曲面系统；以及，将上一步骤中得到自由曲面系统作为初始系统，使用迭代过程减小特征光线与特征面的实际交点与理想目标点的偏差，对所述自由曲面系统中的自由曲面进行迭代重构，待平均RMS弥散斑不再缩小时，得到待设计的自由曲面离轴成像系统。相较于现有技术，本专利技术提供的自由曲面离轴成像系统的设计方法，在直接构建自由曲面时考虑了多套物像关系，且利用可移动光阑实现光线选择，进而切换实现物像关系的切换。该方法可以得到同时具有多套光学性能的离轴三反成像系统。附图说明图1为本专利技术实施例中建立的初始平面系统的结构示意图。图2为本专利技术实施例提供的特征视场选取规则的示意图。图3为本专利技术实施例提供的每个特征视场中特征光线选取规则的示意图。图4为本专利技术实施例提供的自由曲面离轴成像系统的设计方法中自由曲面系统构建过程的示意图。主要元件符号说明初始主镜102初始次镜104初始三镜106像面108孔径光阑110三镜110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成像系统的设计方法，其包括以下步骤：步骤一，建立一初始系统并根据设计目标，建立T套物像关系，对每套物像关系选取M个特征视场，该初始系统包括L个初始曲面Lj(j＝1，2，……L)，且每个初始曲面对应所述自由曲面离轴成像系统中的一个自由曲面，其中，M的值大于L的值。所述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的自由曲面离轴成像系统中一个曲面。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的自由曲面离轴成像系统的实际需要进行选择。所述初始系统中初始曲面的数量根据实际需要进行设计。本实施例中，请参阅图1，所述初始系统为一初始平面三反系统，该初始平面三反系统包括一初始主镜102、一初始次镜104、一初始三镜106、一像面108和一孔径光阑110。所述初始主镜102包括一初始平面，所述初始次镜104包括一初始平面，所述初始三镜106包括一初始平面。所述孔径光阑110位于初始次镜104上，图1中的a和b分别代表孔径光阑110的孔径和位置，孔径光阑110可以在位置a和位置b选择性移动。所述多套物像关系是指不同的物经过系统，按照不同的映射关系得到对应的像，各物与其像之间的位置关系即为物像关系，同一个系统可以选取T套物像关系。多套物像关系大于等于2套，即T≥2。不同物像关系中，系统的孔径光阑可以移动至不同的位置，实现成像光线选择，进而切换不同物像关系。本实施例中，选取两套物像关系，定义第一物像关系为位于无穷远物体通过系统成像，孔径光阑位于a位置；定义第二物像关系为工作距为125mm处物体通过系统成像，孔径光阑位于b位置。对于两套物像关系，按照相同的规则分别选取特征视场和特征光线。所述特征视场的数量大于初始系统中初始曲面的数量。优选的，所述选取特征视场可以在弧失方向和子午方向等距采样M个特征视场，分别记作假设中心视场为(0，)。本实施例中，所述初始三反平面系统在子午方向工作在-2°到2°视场，在弧失方向工作在-2°到2°视场。请参阅图2，所述初始三反平面系统关于YOZ平面对称，在弧失方向只考虑一半的视场，等距采样三个特征视场，在子午方向等距采样三个特征视场，一共选取9个特征视场。在所述M个特征视场中的每个特征视场中均选取K条特征光线。所述K条特征光线的选取可通过以下方法进行：将M个视场中的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。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，请参阅图3，将每个视场的孔径分成14等份，并从每一等份中选取不同孔径位置的7条特征光线，这样每个特征视场采样98条特征光线。则本实例中，每套物像关系采样了9×98＝882条特征光线，一共使用882×2＝1764条特征光线。步骤二、将所述T套物像关系中的至少一套物像关系作为第一物像关系，使用该第一物像关系中将所述初始曲面L1构建成自由曲面N1；将光阑移动至另一套物像关系对应位置，寻找这套物像关系的最佳焦面和理想像点，同时使用这两套物像关系重构自由曲面N1；以此类推，每次移动孔径光阑位置，切换物像关系的光线，直到所述T套物像关系的特征光线的理想像点全部得到，然后使用多套物像关系的特征光线依次将各初始曲面构建为自由曲面。请参阅图4，将初始系统中初始曲面定义为Lj(j＝1，2，……L)，即初始曲面的个数为L个，所述使用多套物像关系的光线，同时将所述初始系统构建为自由曲面系统具体包括以下步骤：S21：在所述T套物像关系中选取一套物像关系作为第一物像关系T1，使用第一物像关系T1的光线将所述初始曲面L1构建成自由曲面N1；S22，将光阑平移至第二物像关系T2所对应位置，寻找第二物像关系T2的最佳焦面，所述最佳焦面指在该位置处，视场的评价弥散斑RMS半径最小位置，第二物像关系T2各视场的主光线与最佳焦面的交点位置作为第二物像关系T2的理想像点，同时使用两套物像关系的光线重新构建自由曲面N1为自由曲面N1’；S23，以此类推，每次增加一套物像关系，并寻找该物像关系的最佳焦面和理想像点，同时使用已找到理想像点的物像关系的特征光线重构自由曲面，直到T套物像关系的理想像点全部找到。S2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由曲面离轴成像系统的设计方法，其包括以下步骤：/n步骤S1，建立一初始系统并根据设计目标，建立T(T≥2)套物像关系，对每套物像关系选取M个特征视场，该初始系统包括L个初始曲面L

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面离轴成像系统的设计方法，其包括以下步骤：
步骤S1，建立一初始系统并根据设计目标，建立T(T≥2)套物像关系，对每套物像关系选取M个特征视场，该初始系统包括L个初始曲面Lj(j＝1，2，……L)，且每个初始曲面对应所述自由曲面离轴成像系统中的一个自由曲面，其中，M的值大于L的值；
步骤S2，将所述T套物像关系中的至少一套物像关系作为第一物像关系，使用该第一物像关系中将所述初始曲面L1构建成自由曲面N1；将光阑移动至另一套物像关系对应位置，寻找这套物像关系的最佳焦面和理想像点，同时使用这两套物像关系重构自由曲面N1；以此类推，每次移动孔径光阑位置，切换物像关系的光线，直到所述T套物像关系的特征光线的理想像点全部得到，然后使用多套物像关系的特征光线依次将各初始曲面构建为自由曲面；以及
步骤S3，同时使用T套物像关系的特征光线，依依次对L个自由曲面迭代构建。


2.如权利要求1所述的自由曲面离轴成像系统的设计方法，其特征在于，对每套物像关系在弧失方向和子午方向等距选取所述M个特征视场。


3.如权利要求1所述的自由曲面离轴成像系统的设计方法，其特征在于，步骤S2中，在所述T套物像关系中的至少一套物像关系作为第一物像关系，使用该第一物像关系中将所述初始曲面L1构建成自由曲面N1。


4.如权利要求1所述的自由曲面离轴成像系统的设计方法，其特征在于，步骤S2中，每次寻找增加的物像关系的最佳焦面和理想像点后，同时使用已寻找到的理想像点的物像关系重构自由曲面N1。


5.如权利要求1所述的自由曲面离轴成像系统的设计方法，其特征在于，步骤S2中，所述将所述初始曲面L1构建成自由曲面N1包括：计算得到所述自由曲面N1上的所有特征数据点Pi(i＝1,2…K)；以及，将该特征数据点Pi(i＝1,2…K)进行曲面拟合得到所述自由曲面N1的方程式。


6.如权利要求5所述的自由曲面离轴成像系统的设计方法，其特征在于，所述自由曲面N1上特征数据点Pi(i＝1,2…K)可以通过以下计算方法获得：
步骤a，取定第一构建特征视场中的第一条特征光线R1与所述自由曲面N1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→i个特征数据点Pi处的单位法向量Ni，进而求得Pi处的单位切向量Ti；
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特征视场φ1中其余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个第一特征数据点分别做一第二切平面，得到i-1个第二切平...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐瑞锐，朱钧，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