一种离轴两反光学系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种离轴两反光学系统及其设计方法，该方法构建了结构紧凑的离轴两反光学系统模型，建立了参数之间的联系，分析了参数对于光学系统尺寸的影响，应用Zernike标准矢高自由曲面的优化完成了紧凑型、高分辨率的基于自由曲面离轴两反光学系统设计。本发明专利技术可以解决获取紧凑型离轴两反光学系统初始结构难的问题，快速完成离轴两反光学系统设计，为光学系统高分辨率和高空间利用率提供保障。光学系统高分辨率和高空间利用率提供保障。光学系统高分辨率和高空间利用率提供保障。

【技术实现步骤摘要】
一种离轴两反光学系统及其设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于自由曲面紧凑型离轴两反光学系统的设计方法，属于离轴光学系统设计的


技术介绍

[0002]离轴两反光学系统具有无色差、宽波段、无遮拦等优点，在卫星载荷、导弹载荷中有着普遍而重要的应用。传统的球面和非球面对校正离轴光学系统产生的非旋转对称像差方面有一定局限性。自由曲面具有多自由度，可以极大地简化光学系统结构，同时可以很好地校正非旋转对称像差，提高光学系统分辨率。该技术主要包括：模型构建、参数解耦、参数分析和结构优化；构建结构紧凑的离轴两反光学系统模型并对参数进行解耦分析可以减少后续优化时间和对设计经验的依赖，解决现有方法获取紧凑型离轴两反光学系统初始结构难的问题。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提出一种基于自由曲面紧凑型离轴两反光学系统的设计方法，为快速、准确实现离轴两反光学系统设计提供保障。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术的设计方法包括以下步骤：
[0005]一种基于自由曲面紧凑型离轴两反光学系统的设计方法，所述方法包含以下过程：
[0006]S1，构建光线交叉折叠的离轴两反光学系统的物理模型；
[0007]S2，基于面形特点和物像关系对所述物理模型中的参数进行解耦，建立物理模型中各参数之间的联系，得到所述离轴两反光学系统的数学模型；
[0008]S3，对参数进行可视化分析，完成离轴两反光学系统初始结构的建立；
[0009]S4，利用Zernike多项式自由曲面对初始结构进行优化，使离轴两反光学系统满足预设的像质要求。
[0010]进一步的，通过以下步骤建立物理模型中各参数之间的联系，得到所述离轴两反光学系统的数学模型：
[0011]离轴两反光学系统中两反射镜之间形成圆形结构，半径为R，对所述物理模型中的参数建立关系，如式(1)
‑
(4)所示：
[0012]d1＝2Rcosθ1ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013]其中，d1为主反射镜和次反射镜之间的间距，θ1为主反射镜上入射光线与出射光线之间所形成的角度；
[0014]d2＝d
bf
+(d1sinθ1/sin(θ1+θ2))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]其中，d2为次反射镜和像面之间的间距，d
bf
为光学系统出瞳处与像面之间的间距，θ2为次反射镜上入射光线与出射光线之间所形成的角度；
[0016]D
in
＝d
1 sinθ1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0017]其中，D
in
为光学系统入瞳口径；
[0018]D
out
＝(d2‑
d
bf
)cos(θ1+θ2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0019]其中，D
out
为光学系统出瞳口径；
[0020]参数θ1和θ2与圆形结构半径R之间的关系，如式(5)
‑
(6)所示；
[0021]F
in
＝f/D
in
＝f/2Rcosθ1sinθ1ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022]其中，f为系统的焦距，F
in
为入瞳F数；
[0023]F
ex
＝d
bf
/D
out
＝d
bf
/(2Rcosθ1sinθ1/sin(θ1+θ2))cos(θ1+θ2)
ꢀꢀ
(6)
[0024]其中，F
ex
为出瞳F数。
[0025]进一步的，所述利用Zernike多项式自由曲面对初始结构进行优化具体为：
[0026]所述Zernike标准矢高表面表达式如式(7)所示
[0027][0028]其中，r为表面点的径向坐标，c为曲率，k为圆锥曲线常数，α
i
为偶次项的系数，Z
j
为泽尼克多项式第j项，C
j
为第j项的系数，p为泽尼克多项式项数。
[0029]作为本申请的一种优选实施方案，步骤S2中的θ1和θ2通过以下方式计算得到：
[0030]在圆形结构半径R不变的情况下，选取相等且最小值的F
in
和F
ex
作为离轴两反光学系统的F数，并得到所对应的θ1和θ2的数值，完成离轴两反初始结构的建立。
[0031]基于上述方法，本申请提供一种离轴两反光学系统，所述光学系统包括主反射镜和次反射镜，所述主反射镜和次反射镜设置于半径为R的圆形结构圆周上，主反射镜上入射与出射光线之间所形成的角度为θ1，次反射镜上入射光线与出射光线之间所形成的角度为θ2，主反射镜的出射光线为次反射镜上的入射光线。
[0032]进一步的，所述θ1和θ2通过以下步骤计算得到：
[0033]基于面形特点和物像关系对所述离轴两反光学系统的物理模型中的参数进行解耦，建立物理模型中各参数之间的联系，得到所述离轴两反光学系统的数学模型；
[0034]对参数进行可视化分析，完成离轴两反光学系统初始结构的建立；
[0035]建立物理模型中各参数之间的联系，得到所述θ1和θ2。
[0036]进一步的，通过以下步骤建立物理模型中各参数之间的联系，得到所述θ1和θ2：
[0037]离轴两反光学系统中两反射镜之间形成圆形结构，半径为R，对所述物理模型中的参数建立关系，如式(1)
‑
(4)所示：
[0038]d1＝2Rcosθ1ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0039]其中，d1为主反射镜和次反射镜之间的间距，θ1为主反射镜上入射光线与出射光线之间所形成的角度；
[0040]d2＝d
bf
+(d1sinθ1/sin(θ1+θ2))
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0041]其中，d2为次反射镜和像面之间的间距，d
bf
为光学系统出瞳处与像面之间的间距，θ2为次反射镜上入射光线与出射光线之间所形成的角度；
[0042]D
in
＝d
1 sinθ1ꢀꢀꢀ
(3)
[0043]其中，D
in
为光学系统入瞳口径；
[0044]D
out
＝(d2‑
d
bf
)cos(θ1+θ2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0045]其中，D
out
为光学系统出瞳口径；
[0046]参数θ1和θ2与圆形结构半径R之间的关系，如式(5)
‑
(6)所示；
[0047]F
in
＝f/D
in
＝f/2R本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自由曲面紧凑型离轴两反光学系统的设计方法，其特征在于，所述方法包含以下过程：S1，构建光线交叉折叠的离轴两反光学系统的物理模型；S2，基于面形特点和物像关系对所述物理模型中的参数进行解耦，建立物理模型中各参数之间的联系，得到所述离轴两反光学系统的数学模型；S3，对参数进行可视化分析，完成离轴两反光学系统初始结构的建立；S4，利用Zernike多项式自由曲面对初始结构进行优化，使离轴两反光学系统满足预设的像质要求。2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面紧凑型离轴两反光学系统的设计方法，其特征在于，通过以下步骤建立物理模型中各参数之间的联系，得到所述离轴两反光学系统的数学模型：离轴两反光学系统中两反射镜之间形成圆形结构，半径为R，对所述物理模型中的参数建立关系，如式(1)
‑
(4)所示：d1＝2R cosθ1ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，d1为主反射镜和次反射镜之间的间距，θ1为主反射镜上入射光线与出射光线之间所形成的角度；d2＝d
bf
+(d1sinθ1/sin(θ1+θ2))
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，d2为次反射镜和像面之间的间距，d
bf
为光学系统出瞳处与像面之间的间距，θ2为次反射镜上入射光线与出射光线之间所形成的角度；D
in
＝d1sinθ1ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，D
in
为光学系统入瞳口径；D
out
＝(d2‑
d
bf
)cos(θ1+θ2)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，D
out
为光学系统出瞳口径；参数θ1和θ2与圆形结构半径R之间的关系，如式(5)
‑
(6)所示；F
in
＝f/D
in
＝f/2Rcosθ1sinθ1ꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，f为系统的焦距，F
in
为入瞳F数；F
ex
＝d
bf
/D
out
＝d
bf
/(2Rcosθ1sinθ1/sin(θ1+θ2))cos(θ1+θ2)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，F
ex
为出瞳F数。3.根据权利要求2所述的一种基于自由曲面紧凑型离轴两反光学系统的设计方法，其特征在于，所述利用Zernike多项式自由曲面对初始结构进行优化具体为：所述Zernike标准矢高表面表达式如式(7)所示其中，r为表面点的径向坐标，c为曲率，k为圆锥曲线常数，α
i
为偶次项的系数，Z
j
为泽尼克多项式第j项，C
j
为第j项的系数，p为泽尼克多项式项数。4.根据权利要求2或3所述的一种基于自由曲面紧凑型离轴两反光学系统的设计方法，其特征在于，步骤S2中的θ1和θ2通过以下方式计算得...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱德燕，胡子佳，唐骏伟，赵寰宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：