[发明专利]自由曲面成像系统的设计方法

权利要求书

1.一种自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S10，建立自由曲面成像系统的初始结构模型，所述初始结构模型包括一透镜的前表面与一瞳孔间隔设置，光束从所述瞳孔入射到所述前表面，将透镜的全视场2ω等分为2k+1个视场角，形成2k+1个视场；

步骤S20，根据不同视场角与自由曲面成像系统孔径大小，对2k+1个视场进行分组，每相邻两个视场取为一组；

步骤S30，加入求解所述透镜靠近瞳孔前表面上的待求点的约束条件，该约束条件使求解得到的点的连线尽量平滑，且保持拟合后前表面上点的法向量与原有求解得到的点的法向的一致性；

步骤S40，根据斯涅尔定律及约束条件逐点求解所述待求点，并进行曲线拟合；以及

步骤S50，加入所述透镜的后表面，使从所述前表面出射的光保持方向不变，得到所述自由曲面成像系统。

2.如权利要求1所述的自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，所述初始结构模型的建立包括如下步骤：

根据自由曲面成像系统的设计要求建立坐标原点O，并确定x，y，z轴各自的方向，其中坐标原点O为瞳孔的中心点，光束的传播方向设定为z轴，垂直于z轴方向分别为x，y轴；

将自由曲面成像系统的全视场2ω以相同的间距Δω等分为2k+1个视场角，形成2k+1个取样视场。

3.如权利要求1所述的自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，每组包括一小视场及一大视场，所述小视场为靠近OZ轴的视场；而所述大视场为与所述小视场相邻且相对远离OZ轴的视场。

4.如权利要求3所述的自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，小视场中充满孔径的光线射到前表面上时，它的主光线经过前表面上的一第一待求点折射后交像面于其理想像点P_f1；大视场中充满孔径的光线入射到前表面上时，位于所述瞳孔边缘的光线与所述主光线相交后，并经过前表面上的一第二待求点折射后应该交像面于其理想像点P_f2。

5.如权利要求4所述的自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，所述小视场与大视场存在重叠，所述小视场中的一条光线经过前表面上的第二待求点，折射后交像于其理想像点P_f1。

6.如权利要求5所述的自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，通过所述主光线、大视场位于瞳孔边缘的光线以及所述小视场中经过第二待求点的光线求解所述第一待求点及第二待求点。

7.如权利要求4所述的自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，所述小视场与所述大视场没有重叠，通过所述主光线及所述大视场位于通孔边缘的光线求解第一待求点及第二待求点。

8.如权利要求1所述的自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，所述约束条件包括：

不同组之间待求点的几何关联约束条件；以及

阶梯形点分布消除条件。