[发明专利]一种离轴折反式部分补偿器系统及设计方法

权利要求书

1.一种离轴折反式部分补偿器系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定系统的基本参数；

基于系统结构设定基本参数，包括入瞳直径D和波长λ；

步骤2：建立关于系统结构参数的方程组；

首先，由三级像差理论建立整个系统的像差系数关系表达式；考虑不随离轴量变化的球差S_Ⅰ以及非旋转对称像差像散S_Ⅲ，以实现非旋转对称非球面像差的补偿，球差S_Ⅰ及像散S_Ⅲ的表达式分别为：

S_I＝∑hP+∑hΔP (1)

其中：

J＝n(uh_z-u_zh) (7)

公式中，h是第一辅助光线即边缘光线的入射高度，h_z是第二辅助光线的入射高度，i是入射角，i'是出射角，u是物方孔径角，u'是像方孔径角，n和n'分别表示入射方折射率和透射或反射方折射率，k为二次非球面系数，R₀为待测面的顶点曲率半径，u_z是第二辅助光线入射角；

其次，建立系统与待测面之间的像差关系方程式如下：

2S_I补+S_Ⅰ非＝0 (8)

2S_Ⅲ补+S_Ⅲ非＝0 (9)

其中，S_Ⅰ补是离轴折反式部分补偿器的球差，S_Ⅰ非是待测非旋转对称非球面产生的球差；S_Ⅲ补是离轴折反式部分补偿器的像散，S_Ⅲ补是待测非旋转对称非球面产生的像散；在建立像差关系式时，要考虑离轴折反式部分补偿器和待测面全口径之间的像差关系，以充分考虑由于系统非旋转对称性所引入的像差；

再次，利用近轴光线表达式，建立每个折射、反射面物像方孔径角关于曲率半径的方程式：

其中，r是每个折射、反射面对应的曲率半径；综上，由式(8)、(9)、(10)建立关于离轴折反式部分补偿器结构参数的方程组；

步骤3：利用数学求解工具，求解上述方程组，得到离轴折反式部分补偿器初始结构参数；

根据先验知识以及实际系统的设计需求，设置透镜顶点到球面反射镜顶点之间的距离d₁和球面反射镜顶点到待测非旋转对称非球面顶点间的距离d₂；基于遗传算法求解离轴折反式部分补偿器初始结构参数，获得离轴折反式部分补偿器初始结构参数的全局最优值，在此基础上进行迭代计算，得到最终用于建模的离轴折反式部分补偿器初始结构参数；

步骤4：利用光学设计软件，对系统结构进行建模和优化；

首先，在光学设计软件中，依据步骤3得到的初始结构参数对系统进行建模，避免因光学设计软件自身缺陷导致设计结果陷入局部最优值的问题；

其次，设置求得的初始结构参数以及离轴折反式部分补偿器的偏心和倾斜为优化变量，以波前PV为优化目标，对系统进行初始优化，以克服因近轴近似所导致的边缘光线无法进入系统的问题；若系统出现光线遮挡问题，通过结合ZPL指令对光线位置进行控制，并将初始优化后的系统作为新的初始系统；

初始优化完成后的系统，能够保证边缘光线进入系统且无光线遮挡问题；在此基础上，对系统进行二次优化，其优化变量及优化目标与初始优化相同，以获得在像面处干涉条纹相对稀疏的结果，记录此时的剩余波前；

步骤5：判断设计结果是否可行；

计算剩余波前的最大波前斜率K，判断此时的干涉条纹是否可探测；若干涉条纹不可探测，说明系统的结构参数不符合设计指标，需返回步骤4重新进行系统参数设定，并进行优化直至满足设计指标为止。

2.如权利要求1所述的一种离轴折反式部分补偿器系统设计方法，其特征在于，步骤5中，判断干涉条纹是否可探测的方法为：

设所选CCD探测器的像素数为1024像素×1024像素，对应可探测的干涉条纹的最大空间频率约为0.45λ/像素，即剩余波前的最大波前斜率K≤0.45λ/像素时，干涉条纹可探测，否则，干涉条纹不可探测。