[發明專利]自由曲面離軸三反光學系統的設計方法

有效

• 申請號: 201410077992.8
• 申請日: 2014-03-05
• 公開（公告）號: CN104898275B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 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: 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離軸三反光學系統的設計方法。

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，可以滿足現代成像系統的需要，有著廣闊的發展應用前景。成像光學系統要實現視場大小與孔徑大小一定的成像，需要在成像系統設計中控制不同視場不同孔徑位置的光線。由于自由曲面有非對稱面并提供了更多的設計自由度，他們常被用在離軸非對稱系統中。

現有的自由曲面離軸三反光學系統的設計方法只適用于單一視場系統的求解，對于多視場，且具有一定孔徑大小的自由曲面離軸三反光學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多視場，且具有一定孔徑大小的自由曲面離軸三反光學系統設計方法。

一種自由曲面離軸三反光學系統的設計方法，包括以下步驟：建立一第一曲面初始結構、第二曲面初始結構以及第三曲面初始結構；保持第一曲面初始結構與第二曲面初始結構不變，選取特征光線，使所述特征光線交像面于理想像點，根據物像關系及斯涅爾定律逐點求解所述特征光線與待求的第三曲面的多個第一特征數據點，將得到的多個第一特征數據點進行曲面擬合，得到所述第三曲面；保持所述第三曲面與第一曲面初始結構不變，使所述特征光線交像面于理想像點，根據物像關系及斯涅爾定律逐點求解特征光線與待求的第二曲面的多個第二特征數據點，將得到的多個第二特征數據點進行曲面擬合，得到所述第二曲面；以及保持所述第二曲面與第三曲面不變，使所述特征光線交像面于理想像點，根據物像關系及斯涅爾定律逐點求解該特征光線與待求的第一曲面的多個第三特征數據點，根據得到的多個第三特征數據點進行曲面擬合，得到所述第一曲面。

相較于現有技術，本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統的設計方法，以三個簡單曲面為初始面型，利用特征光線在待求的自由曲面與前后曲面之間形成的光學關系，經過依次對單個曲面進行逐點求解，得到滿足一定成像要求的自由曲面成像系統，方法簡單；另外，本方法通過對多視場與不同孔徑位置的特征光線的控制，適用于多視場，且具有一定孔徑大小的自由曲面離軸三反光學系統的設計，并且系統視場數量不受限，具有廣闊的應用空間。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的設計方法流程圖。

圖3為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統中每個視場中特征光線選擇方法示意圖。

圖4為本發明提供的求解特征數據點時特征光線起點與終點示意圖。

圖5為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的初始形式示意圖。

圖6為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的第三曲面示意圖。

圖7為本發明實施例提供的第三曲面為自由曲面的自由曲面離軸三反光學系統示意圖。

圖8為本發明實施例提供的三個曲面均為自由曲面的自由曲面離軸三反光學系統示意圖。

圖9為自由曲面的個數分別為0、1、2、3的自由曲面離軸三反光學系統的平均RMS彌散斑直徑對比圖。

主要元件符號說明

如下具體實施方式將結合上述附圖進一步說明本發明。

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。

請參閱圖1，本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統10包括相鄰且間隔設置的一第一曲面1、一第二曲面2、以及一第三曲面3，該第二曲面2為光闌面，從光源4出射的光線依次經過所述第一曲面1、第二曲面2以及第三曲面3的反射后，在一像面5上成像。

請參閱圖2，本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統10的設計方法包括如下步驟：

步驟S1，建立一第一曲面初始結構、第二曲面初始結構以及第三曲面初始結構；

步驟S2，保持第一曲面初始結構與第二曲面初始結構不變，選取特征光線，使所述特征光線交像面5于理想像點，根據物像關系及斯涅爾定律逐點求解所述特征光線與待求的第三曲面3的多個第一特征數據點，將得到的多個第一特征數據點進行曲面擬合，得到所述第三曲面3；