[发明专利]一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法

说明书

本发明涉及一种用于离轴多反自由曲面光学系统初始结构设计方法，该方法采取了双种子曲线扩展的方法构建系统中的每个自由曲面，使自由曲面的构建精度有了很大的提高，通过引进辅助虚像点可以设计多个自由曲面构成的成像光学系统，为验证该方法的可靠性，使用该方法设计了各种不同类型的离轴多反自由曲面成像系统的初始结构，通过追迹光线得到结果，结果表明了使用这种方法设计离轴多反自由曲面成像光学系统，设计速度快，稳定性好，效率高，成像质量好。使用这种方法也设计了一个车载抬头显示器的光学系统，取得了良好的设计效果。

技术领域

本发明涉及离轴光学系统设计的技术领域，特别离轴系统中含有自由曲面的光学系统设计，具体的为一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法。

背景技术

与同轴的光学系统相比，离轴光学系统可以折叠光路使系统机构紧凑。使用反射式的系统与透射式系统相比较没有不同波长光的色散，使用自由曲面可以增加设计自由度，减少光学元件的数量，可以有效地校正这种非对称性像差。因此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。对于设计一个光学系统，设计或选取合理的初始结构是最关键的一步，这决定了最后系统优化所能达到的性能，如果初始结构很差，后面即使优化花很长时间也无法达到比较好的成像质量。对于共轴光学系统，已经有比较成熟的方法可以直接设计初始结构，也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。

在专利(申请号：201911259383.3)提出了用于离轴自由曲面成像光学系统中自由曲面的设计方法，这种方法无法解决种子曲线在扩展过程中各采样点法向矢量误差逐渐增大的问题；单种子虚线扩展的方法在设计自由曲面时候需要一个虚拟面，而虚拟面上还需要设置采样点，处理起来比较复杂繁琐。

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，基于双种子曲线扩展的方法以及多个虚拟像点的可以设计各种离轴成像光学系统，可以提高设计精度，设计效率及可靠性。

按照本发明提供的技术方案，

1.一种离轴多反自由曲面光学系统初始结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，确定采样光线：

首先在起始平面S平面上，矩阵式均匀采样m×n个数据点,每个采样点作为一条光线的起始点，出射一条光线，各采样光线之间相互平行，光线起始面上第一起始点设为S₁₁，与S₁₁同一行发出的光线命名为S_1j，第二行发出的第一条起始点设为S₂₁，与S₂₁同一行发出的光线命名为S_2j，依次类推；

步骤2，确定初始参考点位置P₁₁，M₁₁，R₁₁，确定虚拟像点I₁，I₂，实像点I：

根据步骤1中S₁₁发出的第一条出射特征光线r₁₁，在特征光线r₁₁路径上选取一点P₁₁，第一条光线r₁₁入射到P₁₁点反射后形成一路径，在此路径上取一点M₁₁，光线到达M₁₁点反射后形成一路径，在此路径上取一点R₁₁，光线到达R₁₁点反射后光线汇聚到像点记为I；