离轴非球面光学系统的设计方法技术方案

本发明专利技术涉及离轴非球面光学系统的设计方法，包括：建立包括多个初始曲面的初始系统；保持该多个初始曲面不变，选取来自不同视场不同孔径的K条特征光线；逐点求解K条特征光线与非球面a的m个交点，得到m个特征数据点，m＜K，将m个特征数据点拟合得到初始离轴非球面Am；使用非球面Am求解得到第m+1个特征数据点Pm+1，将m+1个特征数据点拟合得到离轴非球面Am+1；以此类推，不断重复求特征数据点‑非球面拟合的过程，直到求解得到第K个特征数据点PK，将K个特征数据点拟合得到离轴非球面AK，该离轴非球面AK为待求非球面；以此类推，直到获得待设计离轴非球面光学系统中所有的待求非球面，得到离轴非球面光学系统。

【技术实现步骤摘要】
离轴非球面光学系统的设计方法
本专利技术涉及光学系统设计领域，尤其涉及一种全视场的、基于逐点构建的离轴非球面光学系统的设计方法。
技术介绍
非球面设计自由度大，可以更好的消除像差。非球面的应用给离轴光学系统增加了很多自由度，但是相对于传统光学系统，离轴非球面系统的设计难度很大，因此寻找有效的离轴非球面系统设计方法是设计者们关心的热点。基于逐点构建的直接设计方法通过求解未知曲面上的数据点并将其拟合来进行计算。该方法在离轴状态下进行求解，避免了计算过程中光学系统从同轴转化为离轴产生的误差，更具有通用性，减少了对设计人员的经验要求。然而，现有的基于逐点构建的离轴非球面光学系统的设计方法在考虑的视场和孔径数量方面具有局限性。
技术实现思路
综上所述，确有必要提供一种可以同时满足视场和孔径数量要求的基于逐点构建的离轴非球面系统的设计方法。一种离轴非球面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：步骤S1，建立一初始系统，该初始系统包括多个初始曲面，且该初始系统中的一个初始曲面对应待设计离轴非球面光学系统中一个曲面，将待设计离轴非球面光学系统中的一个待求非球面定义为非球面a，将待设计离轴非球面光学系统中的另一个待求非球面定义为非球面b，选取K条来自不同视场不同孔径的特征光线Ri(i＝1，2…K)；步骤S2，保持所述多个初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述非球面a上的m个特征数据点(P1，P2，……Pm)，其中，m＜K，将该m个特征数据点(P1，P2，……Pm)进行拟合得到初始离轴非球面Am；步骤S3，在所述初始离轴非球面Am的基础上，引入中间点Gm来求解第m+1个特征数据点Pm+1，将m+1个特征数据点(P1，P2，……Pm+1)进行拟合得到离轴非球面Am+1；在所述离轴非球面Am+1的基础上，引入中间点Gm+1来求解第m+2个特征数据点Pm+2，将m+2个特征数据点(P1，P2，……Pm+2)进行拟合得到离轴非球面Am+2；以此类推，不断重复求中间点-求特征数据点-非球面拟合的过程，直到求解得到第K个特征数据点PK，将K个特征数据点(P1，P2，……PK)进行拟合得到离轴非球面AK，该离轴非球面AK为非球面a；步骤S4，保持所述非球面a以及非球面b对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，首先根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述非球面b上的m个特征数据点(P′1，P′2，……P′m)，其中，m＜K，将该m个特征数据点(P′1，P′2，……P′m)进行拟合得到初始离轴非球面A′m；步骤S5，在所述初始离轴非球面A′m的基础上，引入中间点G′m来求解第m+1个特征数据点P′m+1，将m+1个特征数据点(P′1，P′2，……P′m+1)进行拟合得到离轴非球面A′m+1；在所述离轴非球面A′m+1的基础上，引入中间点G′m+1来求解第m+2个特征数据点P′m+2，将m+2个特征数据点(P′1，P′2，……P′m+2)进行拟合得到离轴非球面A′m+2；以此类推，不断重复求中间点-求特征数据点-非球面拟合的过程，直到求解得到第K个特征数据点P′K，将K个特征数据点(P′1，P′2，……P′K)进行拟合得到离轴非球面A′K，该离轴非球面A′K为非球面b；以及步骤S6，以此类推，直到获得待设计离轴非球面光学系统中所有的待求非球面，得到所述离轴非球面光学系统。相较于现有技术，本专利技术提供的基于逐点构建的离轴非球面光学系统的设计方法，通过对多视场与不同孔径位置的特征光线的控制，适用于多视场，且具有一定孔径大小的离轴非球面光学系统的设计，并且系统视场和孔径的数量不受限，具有广阔的应用空间。附图说明图1为本专利技术实施例提供的求解特征数据点时特征光线起点与终点示意图。图2为本专利技术实施例提供的全局坐标系与局部坐标系的位置关系图。图3为本专利技术实施例提供的求解中间点Gm的示意图。图4为本专利技术实施例提供的求解第m+1个特征数据点Pm+1的示意图。图5为本专利技术实施例提供的求解非球面上的所有特征数据点(P1，P2，……PK)的整个计算流程图。图6为本专利技术实施例提供的确定局部坐标系参数取值的示意图。图7为本专利技术实施例提供的离轴非球面三反光学系统100的示意图。图8为离轴非球面三反光学系统的各镜面之间的位置关系。图9为本专利技术实施例提供的离轴非球面三反光学系统的RMS弥散斑直径示意图。图10为本专利技术实施例提供的离轴非球面三反光学系统的畸变网格图。图11为本专利技术实施例提供的离轴非球面三反光学系统100的光路示意图。图12为本专利技术实施例提供的优化后的离轴非球面三反光学系统的光路示意图。图13为本专利技术实施例提供的优化后的离轴非球面三反光学系统的MTF曲线。图14为本专利技术实施例提供的优化后的离轴非球面三反光学系统的的畸变网格图。图15为本专利技术实施例提供的优化后的离轴非球面三反光学系统的点列图。图16为本专利技术实施例提供的优化后的离轴非球面三反光学系统的RMS波前误差示意图。主要元件符号说明离轴非球面三反光学系统100主镜120次镜140三镜160图像传感器180如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式下面根据说明书附图并结合具体实施例对本专利技术的技术方案进一步详细表述。本专利技术提供一种全视场的、基于逐点构建的离轴非球面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：步骤S1，建立一初始系统，该初始系统包括多个初始曲面，且该初始系统中的一个初始曲面对应待设计离轴非球面光学系统中一个曲面，将待设计离轴非球面光学系统中的一个待求非球面定义为非球面a，将待设计离轴非球面光学系统中的另一个待求非球面定义为非球面b，选取K条来自不同视场不同孔径的特征光线Ri(i＝1，2…K)；步骤S2，保持所述多个初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述非球面a上的m个特征数据点(P1，P2，……Pm)，其中，m＜K，将该m个特征数据点(P1，P2，……Pm)进行拟合得到初始离轴非球面Am；步骤S3，在所述初始离轴非球面Am的基础上，引入中间点Gm来求解第m+1个特征数据点Pm+1，将m+1个特征数据点(P1，P2，……Pm+1)进行拟合得到离轴非球面Am+1；在所述离轴非球面Am+1的基础上，引入中间点Gm+1来求解第m+2个特征数据点Pm+2，将m+2个特征数据点(P1，P2，……Pm+2)进行拟合得到离轴非球面Am+2；以此类推，不断重复求中间点-求特征数据点-非球面拟合的过程，直到求解得到第K个特征数据点PK，将K个特征数据点(P1，P2，……PK)进行拟合得到离轴非球面AK，该离轴非球面AK为非球面a；步骤S4，保持所述非球面a以及非球面b对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，首先根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述非球面b上的m个特征数据点(P′1，P′2，……P′m)，其中，m＜K，将该m个特征数据点(P′1，P′2，……P′m)进行拟合得到初始离轴非球面A′m；步骤S5，在所述初始离轴非球面A′m的基础上，引入中间点G′m来求解第m+1个特征数据点P′m+1，将m+1个特征数据点(P′1，P′2，……P′m+1)进行拟合得到离轴非球面A′m+1；在所述离轴非球面A′m+1的基础上，引入中间点G′m+1来求解第m+2个特征数据点P′m+2，将m+2个特征数据点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离轴非球面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：步骤S1，建立一初始系统，该初始系统包括多个初始曲面，且该初始系统中的一个初始曲面对应待设计离轴非球面光学系统中一个曲面，将待设计离轴非球面光学系统中的一个待求非球面定义为非球面a，将待设计离轴非球面光学系统中的另一个待求非球面定义为非球面b，选取K条来自不同视场不同孔径的特征光线Ri(i＝1，2…K)；步骤S2，保持所述多个初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述非球面a上的m个特征数据点(P1，P2，......Pm)，其中，m＜K，将该m个特征数据点(P1，P2，……Pm)进行拟合得到初始离轴非球面Am；步骤S3，在所述初始离轴非球面Am的基础上，引入中间点Gm来求解第m+1个特征数据点Pm+1，将m+1个特征数据点(P1，P2，……Pm+1)进行拟合得到离轴非球面Am+1；在所述离轴非球面Am+1的基础上，引入中间点Gm+1来求解第m+2个特征数据点Pm+2，将m+2个特征数据点(P1，P2，……Pm+2)进行拟合得到离轴非球面Am+2；以此类推，不断重复求中间点‑求特征数据点‑非球面拟合的过程，直到求解得到第K个特征数据点PK，将K个特征数据点(P1，P2，……PK)进行拟合得到离轴非球面AK，该离轴非球面AK为非球面a；步骤S4，保持所述非球面a以及非球面b对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，首先根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述非球面b上的m个特征数据点(P′1，P′2，......P′m)，其中，m＜K，将该m个特征数据点(P′1，P′2，……P′m)进行拟合得到初始离轴非球面A′m；步骤S5，在所述初始离轴非球面A′m的基础上，引入中间点G′m来求解第m+1个特征数据点P′m+1，将m+1个特征数据点(P′1，P′2，……P′m+1)进行拟合得到离轴非球面A′m+1；在所述离轴非球面A′m+1的基础上，引入中间点G′m+1来求解第m+2个特征数据点P′m+2，将m+2个特征数据点(P′1，P′2，……P′m+2)进行拟合得到离轴非球面A′m+2；以此类推，不断重复求中间点‑求特征数据点‑非球面拟合的过程，直到求解得到第K个特征数据点P′K，将K个特征数据点(P′1，P′2，……P′K)进行拟合得到离轴非球面A′K，该离轴非球面A′K为非球面b；以及步骤S6，以此类推，直到获得待设计离轴非球面光学系统中所有的待求非球面，得到所述离轴非球面光学系统。...

【技术特征摘要】
1.一种离轴非球面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：步骤S1，建立一初始系统，该初始系统包括多个初始曲面，且该初始系统中的一个初始曲面对应待设计离轴非球面光学系统中一个曲面，将待设计离轴非球面光学系统中的一个待求非球面定义为非球面a，将待设计离轴非球面光学系统中的另一个待求非球面定义为非球面b，选取K条来自不同视场不同孔径的特征光线Ri(i＝1，2…K)；步骤S2，保持所述多个初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述非球面a上的m个特征数据点(P1，P2，......Pm)，其中，m＜K，将该m个特征数据点(P1，P2，……Pm)进行拟合得到初始离轴非球面Am；步骤S3，在所述初始离轴非球面Am的基础上，引入中间点Gm来求解第m+1个特征数据点Pm+1，将m+1个特征数据点(P1，P2，……Pm+1)进行拟合得到离轴非球面Am+1；在所述离轴非球面Am+1的基础上，引入中间点Gm+1来求解第m+2个特征数据点Pm+2，将m+2个特征数据点(P1，P2，……Pm+2)进行拟合得到离轴非球面Am+2；以此类推，不断重复求中间点-求特征数据点-非球面拟合的过程，直到求解得到第K个特征数据点PK，将K个特征数据点(P1，P2，……PK)进行拟合得到离轴非球面AK，该离轴非球面AK为非球面a；步骤S4，保持所述非球面a以及非球面b对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，首先根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述非球面b上的m个特征数据点(P′1，P′2，......P′m)，其中，m＜K，将该m个特征数据点(P′1，P′2，……P′m)进行拟合得到初始离轴非球面A′m；步骤S5，在所述初始离轴非球面A′m的基础上，引入中间点G′m来求解第m+1个特征数据点P′m+1，将m+1个特征数据点(P′1，P′2，……P′m+1)进行拟合得到离轴非球面A′m+1；在所述离轴非球面A′m+1的基础上，引入中间点G′m+1来求解第m+2个特征数据点P′m+2，将m+2个特征数据点(P′1，P′2，……P′m+2)进行拟合得到离轴非球面A′m+2；以此类推，不断重复求中间点-求特征数据点-非球面拟合的过程，直到求解得到第K个特征数据点P′K，将K个特征数据点(P′1，P′2，……P′K)进行拟合得到离轴非球面A′K，该离轴非球面A′K为非球面b；以及步骤S6，以此类推，直到获得待设计离轴非球面光学系统中所有的待求非球面，得到所述离轴非球面光学系统。2.如权利要求1所述的离轴非球面光学系统的设计方法，其特征在于，所述非球面a上的m个特征数据点(P1，P2，……Pm)的计算方法包括以下步骤：步骤a，取定一条特征光线R1与所述非球面a对应的初始曲面的第一交点为特征数据点P1；步骤b，在得到i(1≤i≤m-1)个特征数据点Pi后，根据斯涅尔定律的矢量形式求解该特征数据点Pi处的单位法向量步骤c，过所述i(1≤i≤m-1)个特征数据点Pi分别做一第一切平面，得到i个第一切平面，该i个第一切平面与其余m-i条特征光线相交得到i×(m-i)个第二交点，从该i×(m-i)个第二交点中选取出与所述i(1≤i≤m-1)个特征数据点Pi距离最近的一个第二交点，作为所述非球面a的下一个特征数据点Pi+1；步骤d，重复步骤b和c，直到计算得到非球面a上的m个特征数据点Pi(i＝1，2...m)。3.如权利要求1所述的离轴非球面光学系统的设计方法，其特征在于，所述非球面a上的m个特征数据点(P1，P2，……Pm)的计算方法包括以下步骤：步骤a′，取定一第一条特征光线R1与所述非球面a对应的初始曲面的第一交点为特征数据点P1；步骤b′，在得到第i(1≤i≤m-1)个特征数据点Pi后，根据斯涅尔定律的矢量形式求解第i个特征数据点Pi处的单位法向量进而求得Pi处的单位切向量步骤c′，仅过所述第i(1≤i≤m-1)个特征数据点Pi做一第一切平面并与其余m-i条特征光线相交，得到m-i个第二交点，从该m-i个第二交点中选取出与所述第i个特征数据点Pi距离最短的第二交点Qi+1，并将其对应的特征光线及与所述第i个特征数据点Pi的最短距离分别定义为Ri+1和D；步骤d′，过特征数据点Pi(1≤i≤m-1)之前已求得的i-1个第一特征数据点分别做一第二切平面，得到i-1个第二切平面，该i-1个第二切平面与所述特征光线Ri+1相交得到i-1个第三交点，在每一第二切平面上每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚桐桐，朱钧，金国藩，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11