[发明专利]基于空间光线追迹的次镜遮光罩和方锥形消光锥设计方法

摘要

基于空间光线追迹的次镜遮光罩和方锥形消光锥设计方法，步骤包括：(1)建立设计过程中所使用的笛卡尔直角坐标系；(2)在子午和弧矢面内建立辅助光线，计算得到方锥形主镜中心孔消光锥的边界；(3)确定方锥形主镜中心孔消光锥末端的位置和构型；(4)对次镜遮光罩的初始结构进行定义；(5)构建空间辅助光线，计算得到方锥形消光锥前端的位置和构型；(6)在圆锥面的边沿上设置点光源集合，并进行光线追迹，统计会发生漏光的光源编号，并相应地增大圆锥面的尺寸；(7)最终确定方锥形主镜中心孔消光锥末端和前端的最终空间位置和三维构型；(8)计算得到次镜遮光罩的三维构型。

主权项

1.一种基于空间光线追迹的次镜遮光罩和方锥形主镜中心孔消光锥设计方法，其特征在于步骤如下：/n(1)建立设计过程中所使用的笛卡尔直角坐标系；/n(2)在子午和弧矢面内建立辅助光线，基于辅助光线的追迹结果，计算得到方锥形主镜中心孔消光锥的边界；/n(3)根据光学系统的光机结构设计结果，确定方锥形主镜中心孔消光锥末端的位置和构型；/n(4)对次镜遮光罩的初始结构进行定义；/n(5)构建空间辅助光线，基于空间辅助光线的追迹结果和消光锥空间包络，计算得到方锥形主镜中心孔消光锥前端的位置和构型；/n(6)在圆锥面的边沿上设置点光源集合，并进行光线追迹，统计会发生漏光的光源编号，并相应地增大圆锥面的尺寸；/n(7)重复步骤(5)～(6)，直到不存在漏光；则根据步骤(2)所得的空间多边形以及根据步骤(5)所得的空间多边形，最终确定方锥形主镜中心孔消光锥末端和前端的最终空间位置和三维构型；/n(8)建立辅助平面，计算得到次镜遮光罩的三维构型；/n所述步骤(1)建立笛卡尔直角坐标系的具体过程为：/n11)将笛卡尔直角坐标系的原点设置在次镜的顶点，同时将次镜顶点的法线定义为Z轴；规定Z轴的正向由次镜顶点指向主镜中心；/n12)将过原点且与Z轴垂直，并位于光学系统对称面内的直线定义为Y轴，规定Y轴的正向与光学系统的扫描方向一致；/n13)将过原点且与Y轴和Z轴同时垂直的直线定义为X轴，规定三维空间内X轴方向与Y、Z轴方向满足右手系关系；/n14)将Y、Z轴共同确定的YZ平面定义为子午面，将X、Z轴共同确定的XZ平面定义为弧矢面；/n所述步骤(2)的具体过程为：/n21)建立子午面内位于入瞳+Y处并指向Y方向最大视场和位于入瞳-Y处并指向Y方向最小视场的两条光线为辅助光线Ray1和Ray2；/n22)建立弧矢面内位于入瞳+X处并指向X方向最大视场和位于入瞳-X处并指向X方向最小视场的两条光线为辅助光线Ray3和Ray4；/n23)对辅助光线Ray1、Ray2、Ray3和Ray4进行追迹，得到这四条辅助光线经由次镜反射后的光线为Ray1’、Ray2’、Ray3’和Ray4’，对应的空间直线方程为l1'、l2'、l3'和l4'；/n24)构建包含直线l3'且垂直于弧矢面的平面Plane1、包含直线l1'且垂直于子午面的平面Plane2、包含直线l4'且垂直于弧矢面的平面Plane3、包含直线l2'且垂直于子午面的平面Plane4；平面Plane1、Plane2、Plane3和Plane4围成方锥形主镜中心孔消光锥的空间包络；/n25)平面Plane1与Plane2交于直线L1、平面Plane2与Plane3交于直线L2、平面Plane3与Plane4交于直线L3、平面Plane1与Plane4交于直线L4，则L1、L2、L3和L4为方锥形主镜中心孔消光锥的四条边界；/n所述步骤(3)中确定方锥形主镜中心孔消光锥末端的位置和构型的具体方法为：记位于主镜后的光机结构的外轮廓上距离主镜背面最近的点为Pr，构建包含Pr且同时垂直于子午面和弧矢面的平面Planer；Planer与四条边界L1、L2、L3和L4分别交于点Pr1、Pr2、Pr3和Pr4，则顺次连接Pr1、Pr2、Pr3和Pr4，即得到空间四边形Pr1 Pr2Pr3Pr4，该空间四边形就是方锥形主镜中心孔消光锥末端的空间位置和三维构型；/n所述步骤(4)中对次镜遮光罩的初始结构进行定义的具体过程为：次镜遮光罩的初始结构定义为一个圆锥面，该圆锥面以光学系统的光轴为对称轴，圆锥面的小口端与次镜连接，并且大小与次镜的通光口径相同；圆锥面的大口端与主镜相对，其半径大于小口端半径；/n步骤(5)的具体过程为：/n51)定义圆锥面的大口端与子午面分别交于点Psy+和Psy-，其中Psy+的Y坐标值大于Psy-的Y坐标值；圆锥面的大口端与弧矢面分别交于点Psx+和Psx-，其中Psx+的X坐标值大于Psx-的X坐标值；/n52)构建如下的8条空间辅助光线：/na)辅助光线Ray5：由圆锥面大口端Psx+和Psy+弧段上的点Ps1发出、同时指向X方向最小视场和Y方向最小视场、经由主镜反射后与包络边界L1相交；/nb)辅助光线Ray6：由点Psy+发出，指向Y方向最小视场；/nc)辅助光线Ray7：由圆锥面大口端Psy+和Psx-弧段上的点Ps2发出、同时指向X方向最大视场和Y方向最小视场、经由主镜反射后与包络边界L2相交；/nd)辅助光线Ray8：由点Psx-发出，指向X方向最大视场；/ne)辅助光线Ray9：由圆锥面大口端Psx-和Psy-弧段上的点Ps3发出、同时指向X方向最大视场和Y方向最大视场、经由主镜反射后与包络边界L3相交；/nf)辅助光线Ray10：由点Psy-发出，指向Y方向最大视场；/ng)辅助光线Ray11：由圆锥面大口端Psy-和Psx+弧段上的点Ps4发出、同时指向X方向最小视场和Y方向最大视场、经由主镜反射后与包络边界L4相交；/nh)辅助光线Ray12：由点Psx+发出，指向X方向最小视场；/n53)将上述点Ps1、Psy+、Ps2、Psx-、Ps3、Psy-、Ps4、Psx+分别记为点Psec(i)，其到光学系统光轴的距离分别记为R(i)；其中i＝1,…,8，/n54)对辅助光线Ray5～Ray12进行追迹，Ray5与包络边界L1相交于点Rf1、Ray6与平面Plane1相交于点Rf2、Ray7与包络边界L2相交于点Rf3、Ray8与平面Plane2相交于点Rf4、Ray9与包络边界L3相交于点Rf5、Ray10与平面Plane3相交于点Rf6、Ray11与包络边界L4相交于点Rf7、Ray12与平面Plane4相交于点Rf8；/n55)顺次连接点Rf1～Rf8，得到空间多边形Rf1 Rf2Rf3Rf4Rf5Rf6Rf7Rf8，即为方锥形主镜中心孔消光锥前端的空间位置和三维构型；/n所述步骤(6)的具体过程为：在根据步骤(5)所提供方法求得的、位于圆锥面边沿上的点Psec(i)处设置8个点光源，8个点光源分别记为GY(i)并将各个点光源出射光线的张角中心指向方锥形主镜中心孔消光锥前端三维构型的中心，张角大小能够覆盖方锥形主镜中心孔消光锥前端的三维构型；逐次对8个光源进行光线追迹，若发现漏光，中止追迹，记录此时的光源编号i，并沿着圆锥面增大点Psec(i)到光学系统光轴的距离R(i)到R(i)＝R(i)+△R，△R为遮光罩尺寸增加的步长，0.1mm≤△R≤1mm；/n所述步骤(8)中建立辅助平面的具体方法为：/n根据步骤(6)所提供方法确定的8个点，分别定义如下4个辅助平面：/na)点Psec(1)、Psec(2)、Psec(3)定义平面PlaneUp，并且该平面的法线与Z轴成锐角；/nb)点Psec(3)、Psec(4)、Psec(5)定义平面PlaneRt，并且该平面的法线与Z轴成锐角；/nc)点Psec(5)、Psec(6)、Psec(7)定义平面PlaneDw，并且该平面的法线与Z轴成锐角；/nd)点Psec(7)、Psec(8)、Psec(1)定义平面PlaneLt，并且该平面的法线与Z轴成锐角；/n所述步骤(8)中计算得到次镜遮光罩的三维构型的具体方法为：使用平面PlaneUp、PlaneRt、PlaneDw、PlaneLt对圆锥面进行布尔去除，即可得到次镜遮光罩的三维构型。/n