[發明專利]自由曲面成像系統的設計方法

有效

• 申請號: 201310457594.4
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN104516108B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 朱鈞;楊通;金國藩;范守善
• 申請（專利權）人: 清華大學;鴻富錦精密工業（深圳）有限公司
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及光學設計領域，特別涉及一種自由曲面成像系統的設計方法。

背景技術

自由曲面是指無法用球面或非球面系數來表示的非傳統曲面，通常是非回轉對稱的，結構靈活，變量較多，為光學設計提供了更多的自由度，可以大大降低光學系統的像差，減小系統的體積、重量與鏡片數量。

近幾十年來，自由曲面在非成像領域，尤其是照明領域得到了成功的應用。對于現代成像領域，光學系統視場與孔徑更大，對像質、體積、重量提出了更高的要求，同時系統結構較復雜，產生各種特殊像差。自由曲面以其變量多，面型靈活的特點，可以滿足現代成像系統的需要，有著廣闊的發展應用前景。

目前自由曲面成像系統主要有兩種設計方式。一種是利用通常的球面或非球面結構作為初始結構，在后續的優化過程中，這些簡單曲面被更復雜的曲面所替代，同時加入更多的約束項，逐步得到預期的設計結果。這種方法一定程度上解決了自由曲面成像系統初始結構少的問題，但并未得到自由曲面形式的初始結構，當光學系統的新穎性和復雜性提高時，采用球面或非球面系統作為初始結構很難，對于一些較為復雜的系統也并不適用。另一種方法是根據系統要求的入射與出射光線的關系，建立微分方程，求得待求曲面。但這種方法主要適用于小視場系統，對于大視場系統設計起來非常困難。

發明內容

綜上所述，確有必要提供一種能夠適用于各種形狀的曲面形式，且適用于大視場系統的設計方法。

一種自由曲面成像系統的設計方法，包括以下步驟：建立自由曲面成像系統的初始結構模型，所述初始結構模型包括一透鏡的前表面與一瞳孔間隔設置，光束從所述瞳孔入射到所述前表面，將透鏡的全視場2ω等分為2k+1個視場角，形成2k+1個視場；根據不同視場角與自由曲面成像系統孔徑大小，對2k+1個取樣視場進行分組，每相鄰兩個視場取為一組；加入求解所述透鏡靠近瞳孔前表面上的待求點的約束條件；根據斯涅爾定律及約束條件逐點求解所述待求點，并進行曲線擬合；以及加入所述透鏡的后表面，使從所述前表面出射的光保持方向不變，得到所述自由曲面成像系統。

本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法，通過考慮不同視場實際的孔徑大小，并且求解曲面上待求點的過程中加入了約束條件，使求解得到的點的連線盡量平滑，進而保證了求解得到的點經擬合后得到的曲面輪廓擬合精度較高，使得求解得到的自由曲面成像系統能夠實現預期的成像關系，在自由曲面成像系統設計領域有廣闊的應用前景和開發潛力。

附圖說明

圖1為本發明第一實施例提供的自由曲面成像系統的設計方法的流程圖。

圖2為本發明提供的自由曲面成像系統的結構示意圖。

圖3為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法中透鏡的初始結構示意圖。

圖4為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法中透鏡初始結構的基本模型（相鄰大視場與小視場有重疊）。

圖5為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法中透鏡初始結構的基本模型（相鄰大視場與小視場無重疊）。

圖6為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法中建立不同組的點的幾何關聯約束條件的示意圖。

圖7為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法中階梯形點分布消除條件的示意圖。

圖8為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法中逐點求解曲面上的待求點的示意圖。

圖9為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法得到的自由曲面成像系統的效果圖。

圖10為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法得到的自由曲面成像系統掃描誤差的示意圖。

圖11為本發明提供的自由曲面成像系統的設計方法得到的自由曲面f-θ透鏡的示意圖。

具體實施方式

下面根據說明書附圖并結合具體實施例對本發明的技術方案進一步詳細表述。

本發明中，所述自由曲面成像系統包括一透鏡及一瞳孔間隔設置，所述透鏡在光線的入射方向上具有相對的兩個曲面。光束從瞳孔入射到所述自由曲面成像系統，靠近所述瞳孔的曲面為所述透鏡的前表面，相對遠離所述通孔的曲面為所述透鏡的后表面。從瞳孔出射的光束入射到所述透鏡的前表面，然后從透鏡的后表面出射。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供的自由曲面成像系統的設計方法，包括以下步驟：

步驟S10，建立自由曲面成像系統的初始結構模型。

所述自由曲面成像系統的初始結構模型可包括兩個相對的曲面、平面或球面。具體的，所述自由曲面成像系統的初始結構模型的建立可包括以下步驟：