[发明专利]一种大视场投影系统的自由曲面设计方法

权利要求书

1.一种大视场投影系统的自由曲面设计方法，

所述的投影系统（100）包括：沿着光轴方向依次包括DMD芯片（110）、4K振镜（120）、等效棱镜（130）、保护玻璃（140）、折射透镜组（150）和自由曲面反射镜（160）；

其特征在于包括以下设计步骤：

步骤S1，建立初始结构，该初始结构包括所述折射透镜组以及所述的自由曲面反射镜；

步骤S2，将所述自由曲面反射镜定义为待求自由曲面Ω，保持所述折射透镜组不变；确定折射透镜组的出瞳大小和位置，在每个采样视场分别选取K条特征光线，并在出瞳位置处定义特征光线的起点；

步骤S3，确定各采样视场下待求自由曲面Ω上的参考点；

步骤S4，根据马吕斯定律，求解各采样视场下待求自由曲面Ω上的特征数据点；

步骤S5，待所有视场的特征数据点都求解完毕，通过拟合得到自由曲面Ω对应的表达式，将计算得到的自由曲面反射镜结合折射透镜组进行组合得到自由曲面大视场投影系统初始系统；

所述的i为采样视场的序号，M为采样视场的总数，j为各采样视场下特征数据点的序号，K为各采样视场下特征数据点的总数，为第i个采样视场下的第j个特征数据点。

2.如权利要求1所述的大视场投影系统的自由曲面设计方法，其特征在于，所述特征光线和特征光线的起点的选取通过以下方法进行：

定义特征光线为从折射透镜组的出瞳出射的光线；定义特征光线的起点在折射透镜组的出瞳上；在极坐标下对出瞳进行采样，采样点个数随着出瞳半径的增大而增加；光瞳上均匀采样K个数据点，相应的每个视场中有K条不同的特征光线；对M个不同的视场进行采样，总共从出瞳发出M×K条特征光线，对应特征光线的起点为；

所述的i为采样视场的序号，M为采样视场的总数，j为各采样视场下特征数据点的序号，K为各采样视场下特征数据点的总数，为第i个采样视场下的第j个特征光线的起点。

3.如权利要求1所述的大视场投影系统的自由曲面设计方法，其特征在于，所述参考点的确定通过以下方式进行：

在第i个采样视场中，从折射透镜组的出瞳出射的主光线作为参考光线，参考光线与待求自由曲面Ω的交点作为参考点；参考光线在参考点处反射后到达理想目标点；

定义参考面Ω'为NA0.1时光学系统完善成像的曲面，用参考面Ω'代替待求自由曲面Ω，以获得每个视场的参考点。

4.如权利要求3所述的大视场投影系统的自由曲面设计方法，其特征在于，所述参考面Ω'的选取通过以下方式确定：

数值孔径NA0.1时，根据给定的视场角和物像共轭条件在光学软件中构建初始非球面反射镜，将其作为参考面Ω'。

5.如权利要求1所述的大视场投影系统的自由曲面设计方法，其特征在于，所述自由曲面Ω上的特征数据点通过以下计算方法获得：

在同一视场中从发出的所有特征光线汇聚于同一点，在第i个采样视场中，根据参考点的坐标，计算参考光线的光程：

其中，为介质的折射率，系统在空气中，则；为理想目标点，通过物像关系求解；

该采样视场中的所有特征光线具有相同的光程，在该视场中找到其他K-1个特征数据点，它满足以下条件：

对个采样场重复上述步骤，以获得所有视场的特征数据点。

6.如权利要求1所述的大视场投影系统的自由曲面设计方法，其特征在于，所述自由曲面Ω对应的表达式为：

其中是第n项泽尼克多项式，是第n项泽尼克多项式的系数。