[发明专利]一种大视场投影系统的自由曲面设计方法

说明书

本发明属于光学设计领域，为解决现有投影系统自由曲面设计方法不能直接设计对全孔径自由曲面成像的问题，提出一种大视场投影系统的自由曲面设计方法，该方法通过设置参考点，定义特征光线的起点，在每个采样视场分别选取K条特征光线，确定各采样视场下待求自由曲面Ω上的参考点；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；将求得的特征数据点拟合得到自由曲面Ω对应的表达式，将计算得到的自由曲面作为初始结构，并结合折射透镜组进行优化进而得到自由曲面大视场投影系统初始系统。本方案能够在全视场和全孔径下计算未知自由曲面的特征数据点，计算步骤较少，简化了计算流程；提高计算效率；减少折射透镜组的复杂程度。

技术领域

本发明属于光学设计领域，具体涉及一种大视场投影系统的自由曲面设计方法。

背景技术

自由曲面是非旋转对称的光学曲面，可以为光学设计提供更多的自由度，具有提高成像质量，减少光学元件数量等优点。在离轴光学系统中，为了避免遮拦或为了满足光学系统尺寸和重量的约束，打破了光学系统的对称性。当系统对称性被破坏时，光学系统的性能将大幅度下降，而自由曲面的使用能够恢复离轴系统的光学性能。因此自由曲面常被用在离轴显示系统中。

成像光学系统要实现对一定视场大小与孔径大小的成像，需要在成像系统中控制不同视场不同孔径位置的光线，而现有的应用于投影系统的自由曲面直接设计方法，不能直接设计对全孔径成像的自由曲面。2018年李润芝等人^[1]基于微分几何原理和斯涅尔反射定律设计了折反式超短焦投影物镜。由于在反射镜的设计过程中仅考虑了出瞳中心的光线，因此该方法设计得到的光学系统，在全视场范围内只有主光线可以完善成像，不能对全孔径成像，即仅适用于小孔径系统；其次，该方法在设计投影物镜的反射镜时，没有考虑折射透镜组，因此设计得到的反射镜可能无法与折射透镜组匹配。

[1]李润芝,杨波,张婧京,等.采用折反式成像的超短焦距投影物镜设计[J].光学技术,2018,044(003):305-309.

发明内容

本发明的目是解决现有技术中不能直接设计对全孔径成像的自由曲面，提供一种能够在全视场和全孔径下直接计算大视场投影系统自由曲面反射镜的方案。

一种大视场投影系统的自由曲面设计方法，所述的投影系统包括：沿着光轴方向依次包括DMD芯片、4K振镜、等效棱镜、保护玻璃、折射透镜组和自由曲面反射镜、投影屏幕；

所述的投影系统工作过程包括：光线从DMD芯片发出，依次经过4K振镜、等效棱镜、保护玻璃、折射透镜组，并在自由曲面反射镜之前进行一次成像，最后由自由曲面反射镜反射至投影屏幕形成清晰的图像；

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P_ｉｊ(i＝1,2,…,M,j＝1,2,…,K-1)；

步骤S5，待所有视场的特征数据点P_ij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，P_ij为第i个采样视场下的第j个特征数据点。