一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于离轴多反自由曲面光学系统初始结构设计方法，该方法采取了双种子曲线扩展的方法构建系统中的每个自由曲面，使自由曲面的构建精度有了很大的提高，通过引进辅助虚像点可以设计多个自由曲面构成的成像光学系统，为验证该方法的可靠性，使用该方法设计了各种不同类型的离轴多反自由曲面成像系统的初始结构，通过追迹光线得到结果，结果表明了使用这种方法设计离轴多反自由曲面成像光学系统，设计速度快，稳定性好，效率高，成像质量好。使用这种方法也设计了一个车载抬头显示器的光学系统，取得了良好的设计效果。

【技术实现步骤摘要】
一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法
本专利技术涉及离轴光学系统设计的
，特别离轴系统中含有自由曲面的光学系统设计，具体的为一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法。
技术介绍
与同轴的光学系统相比，离轴光学系统可以折叠光路使系统机构紧凑。使用反射式的系统与透射式系统相比较没有不同波长光的色散，使用自由曲面可以增加设计自由度，减少光学元件的数量，可以有效地校正这种非对称性像差。因此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。对于设计一个光学系统，设计或选取合理的初始结构是最关键的一步，这决定了最后系统优化所能达到的性能，如果初始结构很差，后面即使优化花很长时间也无法达到比较好的成像质量。对于共轴光学系统，已经有比较成熟的方法可以直接设计初始结构，也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。在专利(申请号：201911259383.3)提出了用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，这种方法无法解决种子曲线在扩展过程中各采样点法向矢量误差逐渐增大的问题；单种子虚线扩展的方法在设计自由曲面时候需要一个虚拟面，而虚拟面上还需要设置采样点，处理起来比较复杂繁琐。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供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，基于双种子曲线扩展的方法以及多个虚拟像点的可以设计各种离轴成像光学系统，可以提高设计精度，设计效率及可靠性。按照本专利技术提供的技术方案，一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法，包括以下步骤：步骤1，确定采样光线：首先在起始平面S平面上，矩阵式均匀采样m×n个数据点,每个采样点作为一条光线的起始点，出射一条光线，各采样光线之间相互平行，光线起始面上第一起始点设为S11，与S11同一行发出的光线命名为S1j，第二行发出的第一条起始点设为S21，与S21同一行发出的光线命名为S2j，依次类推；步骤2，确定初始参考点位置P11，M11，R11，确定虚拟像点I1，I2，I：根据步骤1中S11发出的第一条出射特征光线r11，在特征光线r11路径上选取一点P11，第一条光线r11入射到P11点反射后形成一路径，在此路径上取一点M11，光线到达M11点反射后形成一路径，在此路径上取一点R11，，光线到达R11点反射后光线汇聚到像点记为I；S面发出的特征光线r11经过P11后直接会形成虚拟成像点记为I1，S面发出的光线经过P11和M11反射后形成虚拟成像点记为I2；其中S11P11为入射光线矢量，P11I1为出射光线矢量，根据反射定律的矢量形式求得P11点的法向量N11；步骤3，计算种子曲线：在步骤2中，当获得了过P11点的法向量N11可以计算出过P11点的切平面，将第二条特征光线r12与过点P11处切平面的交点P12作为自由曲面上的第二个采样点，同理由反射定律可求得第二个数据点的法向量N12及其切平面，用特征光线r13与该平面相交得到了第3个采样点，以此类推，因此，可以得到自由曲面P上的由P11、P12……到P1j形成的第一条曲线，称为种子曲线；步骤4，根据种子曲线得到自由曲面上的所有采样点：由第一行特征光线r11、r12……r1j出射的光线可以得到种子曲线，根据步骤3中计算种子曲线的方法，依次通过光线r21、r22……r2j出射的光线得到由P21、P22……到P2j形成的第二条曲线，依次类推，继续重复上述过程得到自由曲面P上的所有采样点，这里将从S平面出发得到的曲面P上的采样点记为正向计算采样点；步骤5，逆向计算第二组采样点：对表面数据点进行逆向计算，以正向采样数据点的最后一个点Pmn为参考点作为初始点，入射到该点的光线为光源面上Smn点发射出的光线，即采样光线rmn，该光线也是正向计算中最后一条采样光线，因此rmn为入射Pmn点对应的单位方向矢量，单位出射矢量为Pmn到虚拟像点的单位方向矢量PmnI1，在逆向计算中，所有光线起点及方向矢量与正向计算一致，只是使用光线的顺序发生了逆转，已知逆向计算的表面初始点Pmn，所有采样光线的起点及方向矢量，和虚像点I1，便可根据步骤(1)、(2)，先计算第一行特征数据点，即第一条种子曲线，再由此扩展得到后续所有行，此时该自由曲面上的第二组特征数据点均可全部计算出来。最终，得到自由曲面上的两组特征数据点，它们都有一个公共点Pmn，，第一组点为正向计算的自由曲面采样点，第二组点为逆向计算的自由曲面采样点，然后把这两组自由曲面采样点合在一起拟合成一个自由曲面。步骤6，多个自由曲面所有采样点的计算：上述计算过程只是对于第一个自由曲面P上的采样点进行了计算，使用上述方法对多个自由曲面进行设计，接下来用上述方法设计次镜M和三镜R：计算M上的采样点，所有入射到M镜采样光线就是从反射镜P反射出来的光线，因此入射光线矢量都是已知的，经过M镜反射后入射到虚像点I1，M上的初始参考点M11是已知，利用前面的步骤可以从M11开始计算出正M上的所有采样点，然后再从正向计算的最后1个点Mmn作为初始点，逆向计算采样点，这样就得到了M反射镜上逆向计算的采样点，这样正向计算的M面的采样点与逆向计算的M反射镜上采样点都可以获得；同理计算R上的采样点，所有入射到R镜采样光线就是从反射镜M反射出来的光线，因此入射光线矢量都是已知的，经过R镜反射后入射到点I，R上的初始参考点R11是已知，利用前面的步骤可以从R11开始正向计算出R上的所有采样点，然后再从正向计算的最后1个点Rmn作为初始点，逆向计算采样点，这样就得到了R反射镜上的正向和逆向2组采样点；步骤7，自由曲面面形的多项式拟合：上面方法计算得到是离散的采样点，为了在光学设计软件对设计的系统进行追迹光线，验证结果，及进一步的优化需要将这些采样点拟合成连续的曲面，采用X-Y多项式对自由曲面的面型进行拟合，步骤8，离轴多反(N>3)自由曲面设计,离轴N反自由曲面成像光学系统设计方法与上述三反射镜自由曲面光学设计步骤一致类推，在步骤6中设置N个初始点，引入N-1个虚拟像点即可。进一步地，系统中每个自由曲面反射镜的构建使用了双种子曲线扩展的方法。进一步地，双种子曲线扩展算法为从初始点开始计算种子曲线，然后正向扩展得到自由曲面上所有采样点称为正向采样点，以正向采样点的最后一个点作为初始点，计算种子曲线然后逆向扩展得到自由曲面上所有采样点称为逆向采样点。进一步地，通过使用虚拟像点，可以设计多个自由曲面反射镜，使用N个自由曲面反射镜需要N-1个虚拟像点。进一步地，步骤5中，自由曲面的多项式是由正向和逆向两组采样点共同拟合所得。本专利技术与已有技术相比具有以下优点：本专利技术基于双种子曲线扩展的方法以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法，包括以下步骤：/n步骤1，确定采样光线：/n首先在起始平面S平面上，矩阵式均匀采样m×n个数据点,每个采样点作为一条光线的起始点，出射一条光线，各采样光线之间相互平行，光线起始面上第一起始点设为S

【技术特征摘要】
1.一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，确定采样光线：
首先在起始平面S平面上，矩阵式均匀采样m×n个数据点,每个采样点作为一条光线的起始点，出射一条光线，各采样光线之间相互平行，光线起始面上第一起始点设为S11，与S11同一行发出的光线命名为S1j，第二行发出的第一条起始点设为S21，与S21同一行发出的光线命名为S2j，依次类推；
步骤2，确定初始参考点位置P11，M11，R11，确定虚拟像点I1，I2，I：
根据步骤1中S11发出的第一条出射特征光线r11，在特征光线r11路径上选取一点P11，第一条光线r11入射到P11点反射后形成一路径，在此路径上取一点M11，光线到达M11点反射后形成一路径，在此路径上取一点R11，，光线到达R11点反射后光线汇聚到像点记为I；
S面发出的特征光线r11经过P11后直接会形成虚拟成像点记为I1，S面发出的光线经过P11和M11反射后形成虚拟成像点记为I2；
其中S11P11为入射光线矢量，P11I1为出射光线矢量，根据反射定律的矢量形式求得P11点的法向量N11；
步骤3，计算种子曲线：
在步骤2中，当获得了过P11点的法向量N11可以计算出过P11点的切平面，将第二条特征光线r12与过点P11处切平面的交点P12作为自由曲面上的第二个采样点，同理由反射定律可求得第二个数据点的法向量N12及其切平面，用特征光线r13与该平面相交得到了第3个采样点，以此类推，因此，可以得到自由曲面P上的由P11、P12……到P1j形成的第一条曲线，称为种子曲线；
步骤4，根据种子曲线得到自由曲面上的所有采样点：
由第一行特征光线r11、r12……r1j出射的光线可以得到种子曲线，根据步骤3中计算种子曲线的方法，依次通过光线r21、r22……r2j出射的光线得到由P21、P22……到P2j形成的第二条曲线，依次类推，继续重复上述过程得到自由曲面P上的所有采样点，这里将从S平面出发得到的曲面P上的采样点记为正向计算采样点；
步骤5，逆向计算第二组采样点：
对表面数据点进行逆向计算，以正向采样数据点的最后一个点Pmn为参考点作为初始点，入射到该点的光线为光源面上Smn点发射出的光线，即采样光线rmn，该光线也是正向计算中最后一条采样光线，因此rmn为入射Pmn点对应的单位方向矢量，单位出射矢量为Pmn到虚拟像点的单位方向矢量PmnI1，
在逆向计算中，所有光线起点及方向矢量与正向计算一致，只是使用光线的顺序发生了逆转，已知逆向计算的表面初始点Pmn，所有采样光线的起点及方向矢量，和虚像点I1，便可根据步骤(1)、(2)，先计算第一行特征数据点，即第一条种子曲线，再由此扩展得到后续所有行，此时该自由曲面上的...

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