[发明专利]一种基于空间坐标传递矩阵的离轴多反光学系统设计方法

说明书

本发明公开一种基于空间坐标传递矩阵的离轴多反光学系统设计方法，属于光学设计技术领域。该方法建立各反射镜初始坐标系与参考坐标系；选取特征光线，建立各反射镜间的输入输出关系，并将特征光线与各反射镜间的交点记为特征点；通过空间坐标传递矩阵的方法实现离轴多反光学系统中的光线特征的传递；最后拟合得到离轴多反光学系统各反射镜的位姿。本发明利用空间坐标传递矩阵理论进行光学系统设计，有利于光学系统一体化设计、加工及系统的装调。

技术领域

本发明涉及光学设计技术领域，尤其涉及一种基于空间坐标传递矩阵的离轴多反光学系统设计方法。

背景技术

随着空间光学遥感以及火箭、卫星、空间站等航空航天技术的日趋进步，光学系统的各项设计加工技术指标越来越高，分辨率高、覆盖范围广成为日益迫切的需求。然而，高分辨率与大视场之间存在的矛盾关系在某种程度上限制了其发展。早期的光学系统均采用折射式系统，随着人们对光学设计理论及反射式系统的研究，逐渐出现了折反式系统和全反式系统。随后较高的分辨率及较少的能量损失成为一亟待解决的问题，因此产生了离轴光学系统。

离轴光学系统的一种传统设计方法是以现有专利或其他可用系统为初始结构，利用光学设计软件进行进一步优化，得到最终的设计结果。另一种常见的设计方法是首先根据三级(或赛德尔)像差理论创建一个同轴球面或圆锥曲面的初始结构，然后，通过光阑离轴、视场离轴或倾斜镜子的离轴方式获得无遮拦结构，最后，使用光学设计软件进行优化得到最终的结构。但是，离轴光学元件加工以及系统装调难度较大，元件的加工精度与系统的装调方法是制约其进一步发展的关键因素。

空间坐标传递矩阵是基于矩阵法来描述机器人机械手的运动学和动力学提出的。这种数学描述将四阶方阵变换为三维空间点的齐次坐标，运动、变换和映射与矩阵运算相联系，在机械加工或装配等过程中作为统一体进行。利用空间坐标传递矩阵理论进行光学系统设计，有利于光学系统一体化设计、加工及系统的装调，故在此背景下提出本发明。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于空间坐标传递矩阵的离轴多反光学系统设计方法，实现光学系统一体化设计、加工及系统装调。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于空间坐标传递矩阵的离轴多反光学系统设计方法，包括如下步骤：

步骤1：建立离轴多反光学系统中m个反射镜M₁、M₂......M_m的局部坐标系和参考坐标系；

所述离轴多反光学系统中m个反射镜M₁、M₂......M_m的局部坐标系以各反射镜中心为原点，参考坐标系以第一反射镜M₁的中心为原点，根据右手法则确定X轴、Y轴、Z轴。

步骤2：选取n条特征光线L₁、L₂、L₃......L_n，n条特征光线与m个反射镜相交各有n个特征点，M₁中的特征点记为：S₁₁、S₁₂、S₁₃......S_1n，M₂中的特征点记为S₂₁、S₂₂、S₂₃......S_2n，M_m中的特征点记为：S_m1、S_m2、S_m3......S_mn；

步骤3：根据反射定律，第一反射镜M₁的输出作为第二反射镜M₂的输入，第二反射镜M₂的输出作为第三反射镜M₃的输入，以此类推，第m-1反射镜M_m-1的输出作为第m反射镜M_m的输入；