[发明专利]用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种设计方法，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领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，其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，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，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，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S_td(X_td,Y_td,Z_td)，起始发光点S_td出射的光线r_td为单自由曲面反射镜的入射光线，r'_td为经过单自由曲面反射镜反射后的出射光线，P_td(x_td,y_td,z_td)为光线r_td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。

步骤2中，具体包括如下步骤：