[发明专利]应用于光学系统的自由曲面的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及自由曲面设计领域，特别涉及一种基于逐点求解与构建的应用于光学系统的自由曲面的设计方法。

背景技术

自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称的，结构灵活，变量较多，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差，减小系统的体积、重量与镜片数量，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前景。成像光学系统要实现视场大小与孔径大小一定的成像，需要在成像系统设计中控制不同视场不同孔径位置的光线。由于自由曲面有非对称面并提供了更多的设计自由度，他们常被用在离轴非对称系统中。

现有的自由曲面设计方法主要针对曲面的二维轮廓进行求解，且只适用于单一视场系统的求解，对于多视场，且具有一定大小孔径的系统设计起来非常困难。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够适用于多视场、且具有一定大小孔径的系统，并可以针对三维的自由曲面进行求解的设计方法。

一种应用于光学系统的自由曲面的设计方法，包括以下步骤：建立一曲面初始结构；选取K条特征光线，使所述特征光线通过该曲面初始结构后，分别交一像面于理想像点I_i(i=1,2…K)；根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解每条特征光线与待求的自由曲面的多个交点，进而得到特征数据点P_i；以及将该多个特征数据点P_i进行曲面拟合，得到所述自由曲面的方程式。

相较于现有技术，本发明提供的应用于光学系统的自由曲面的设计方法，利用特征光线在待求的自由曲面与前后曲面之间形成的光学关系，通过对自由曲面进行逐点求解与构建的方法，得到满足一定的成像要求的三维自由曲面，方法简单，适用于各种离轴非对称系统以及折、反射面；另外，本方法还可以通过对多视场与不同孔径位置的特征光线的控制，适用于多视场且具有一定孔径大小的成像系统设计，并且系统视场数量不受限，具有广阔的应用空间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用于光学系统的自由曲面设计方法流程图。

图2为本发明实施例提供的应用于光学系统的自由曲面设计方法中每个视场的特征光线选择方法示意图。

图3为本发明提供的求解特征数据点时特征光线起点与终点示意图。

图4为为采用本发明实施例提供的应用于光学系统的自由曲面设计方法得到的自由曲面示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参阅图1，本发明实施例一提供一种自由曲面的设计方法，该自由曲面的设计方法包括如下步骤：

步骤S1，建立一曲面初始结构；

步骤S2，选取K条特征光线，使所述特征光线通过该曲面初始结构后，分别交一像面于理想像点I_i(i=1,2…K)；

步骤S3，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解每条特征光线与待求的自由曲面的多个交点，进而得到特征数据点P_i；以及

步骤S4，将该多个特征数据点P_i进行曲面拟合，得到所述自由曲面的方程式。

在步骤S1中，所述曲面初始结构可以为平面或曲面，且所述曲面初始结构的具体位置可以根据光学系统的实际需要进行选择，只要使得出射的光线与像面的交点与理想像点接近。本实施例中，所述曲面初始结构为一平面。

在步骤S2中，所述特征曲线的选取可通过以下方法进行：

可以根据需求选取M个视场，并将每个视场的孔径分成N等份，并从每一等份中选取不同孔径位置的P条特征光线，这样一共选取了K=M×N×P条对应不同视场不同孔径位置的特征光线。所述孔径可以为圆形、长方形、正方形、椭圆形或其他规则或不规则的形状。

请参阅图2，优选的，所述视场孔径为圆形孔径，将每个视场的圆形孔径等分成N个角度，间隔为φ，因此有N=2π/φ，沿着每个角度的半径方向取P个不同的孔径位置，那么一共取K=M×N×P条对应不同视场不同孔径位置的特征光线。本实施例中，共选取6个离轴视场进行设计，且将每个视场的圆形孔径等分成14个角度，沿着每个角度的半径方向取7个不同的孔径位置，因此共选取了588条对应不同视场不同孔径位置的特征光线。