[發明專利]自由曲面成像系統的設計方法

有效

• 申請號: 201310504183.6
• 申請日: 2013-10-24
• 公開（公告）號: CN104570340A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 楊通;朱鈞;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: 無
• 代理人: 無

1.一種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，所述初始結構模型包括間隔設置的光闌、一第一曲面的初始形式及一第二曲面的初始形式，從光闌上的瞳孔出射的光線入射到第一曲面的初始形式，并依次經過第一曲面的初始形式及第二曲面的初始形式反射或折射后，在一像面上成像；

步驟S20，保持第一曲面的初始形式不變，選取特征光線，根據物像關系逐步求解特征光線和待求的第二曲面的多個交點，使所述選定的特征光線交像面于理想像點，根據得到的多個交點構建得到所述第二曲面；

步驟S30，保持得到的第二曲面不變，根據物像關系及費馬原理逐點求解特征光線與待求的第一曲面的交點，根據得到的交點構建所述第一曲面，使得選定的特征光線交像面于理想像點；以及

步驟S40，將得到的第一曲面及第二曲面再次作為初始結構，重復步驟S20及S30，經過多次迭代，使得從瞳孔出射的光線匯聚到對應的像點處，得到所述自由曲面成像系統。

2.如權利要求1所述的自由曲面成像系統的設計方法，其特征在于，所述第一曲面的初始形式為平面或曲面，所述第二曲面的初始形式為平面或曲面。

3.如權利要求1所述的自由曲面成像系統的設計方法，其特征在于，以瞳孔的中心位置為坐標原點O，以光束傳播方向為Z軸，垂直于Z軸方向的平面為XOY平面建立坐標系，所述自由曲面成像系統的視場位于YOZ平面內。

4.如權利要求3所述的自由曲面成像系統的設計方法，其特征在于，所述特征光線的選取包括如下子步驟：將自由曲面成像系統分為M個視場；每個視場選取子午面內的不同孔徑位置的N條光線，其中所述N條光線包括瞳孔邊緣的光線，所述N條光線將瞳孔的直徑分成N?1等分，則共選取了K=M×N條對應不同視場不同瞳孔位置的特征光線。

5.如權利要求4所述的自由曲面成像系統的設計方法，其特征在于，所述特征光線包括以下特征信息：

（1）每條光線對應的視場；

（2）每條光線對應的孔徑位置；

（3）每條光線與前一曲面的交點坐標，其中第一曲面的初始形式的前一曲面為光闌；

（4）每條光線從前一曲面射出后沿y,?z方向的方向余弦；

（5）對應于每條特征光線的理想像點位置。

6.如權利要求1所述的自由曲面成像系統的設計方法，其特征在于，所述每條特征光線與待求的第二曲面的交點即待求點P_i?(i=0,1,2…K?1)的求解包括如下子步驟：

將特征光線與第一曲面的初始形式的交點定義為起點S_i，特征光線與待求的第二曲面之后的像面的交點定義為終點E_i；

通過特征光線追跡得到起點S_i；

根據物像關系求解特征光線的終點E_i；

根據斯涅爾定律的矢量形式求解每個待求點P_i?處的單位法向量???????????????????????????????????????????????。

7.如權利要求6所述的自由曲面成像系統的設計方法，其特征在于，所述待求的第二曲面為折射面，則待求點P_i?處的單位法向量為：

；

其中，,為沿著特征光線入射與出射方向的單位矢量，n,?n'?為第二曲面兩側兩種介質的折射率。

8.如權利要求6所述的自由曲面成像系統的設計方法，其特征在于，所述待求的第二曲面為反射面，則待求點P_i?處的單位法向量為：

；

其中，,為沿著特征光線入射與出射方向的單位矢量。