[发明专利]自由曲面成像系统的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学设计领域，特别涉及一种自由曲面成像系统的设计方法。

背景技术

自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称的，结构灵活，变量较多，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差，减小系统的体积、重量与镜片数量。

近几十年来，自由曲面在非成像领域，尤其是照明领域得到了成功的应用。对于现代成像领域，光学系统视场与孔径更大，对像质、体积、重量提出了更高的要求，同时系统结构较复杂，产生各种特殊像差。自由曲面以其变量多，面型灵活的特点，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前景。

目前自由曲面成像系统主要有两种设计方式。一种是利用通常的球面或非球面结构作为初始结构，在后续的优化过程中，这些简单曲面被更复杂的曲面所替代，同时加入更多的约束项，逐步得到预期的设计结果。这种方法一定程度上解决了自由曲面成像系统初始结构少的问题，但并未得到自由曲面形式的初始结构，当光学系统的新颖性和复杂性提高时，采用球面或非球面系统作为初始结构很难，对于一些较为复杂的系统也并不适用。另一种方法是根据系统要求的入射与出射光线的关系，建立微分方程，求得待求曲面。但这种方法主要适用于小视场系统，对于大视场系统设计起来非常困难。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够适用于各种形状的曲面形式，且适用于大视场系统的设计方法。

一种自由曲面成像系统的设计方法，包括以下步骤：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；根据不同视场角与自由曲面成像系统孔径大小，对2k+1个取样视场进行分组，每相邻两个视场取为一组；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；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。

本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法，通过考虑不同视场实际的孔径大小，并且求解曲面上待求点的过程中加入了约束条件，使求解得到的点的连线尽量平滑，进而保证了求解得到的点经拟合后得到的曲面轮廓拟合精度较高，使得求解得到的自由曲面成像系统能够实现预期的成像关系，在自由曲面成像系统设计领域有广阔的应用前景和开发潜力。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的自由曲面成像系统的设计方法的流程图。

图2为本发明提供的自由曲面成像系统的结构示意图。

图3为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法中透镜的初始结构示意图。

图4为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法中透镜初始结构的基本模型（相邻大视场与小视场有重叠）。

图5为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法中透镜初始结构的基本模型（相邻大视场与小视场无重叠）。

图6为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法中建立不同组的点的几何关联约束条件的示意图。

图7为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法中阶梯形点分布消除条件的示意图。

图8为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法中逐点求解曲面上的待求点的示意图。

图9为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法得到的自由曲面成像系统的效果图。

图10为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法得到的自由曲面成像系统扫描误差的示意图。

图11为本发明提供的自由曲面成像系统的设计方法得到的自由曲面f-θ透镜的示意图。

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发明的技术方案进一步详细表述。

本发明中，所述自由曲面成像系统包括一透镜及一瞳孔间隔设置，所述透镜在光线的入射方向上具有相对的两个曲面。光束从瞳孔入射到所述自由曲面成像系统，靠近所述瞳孔的曲面为所述透镜的前表面，相对远离所述通孔的曲面为所述透镜的后表面。从瞳孔出射的光束入射到所述透镜的前表面，然后从透镜的后表面出射。

请参阅图1，本发明第一实施例提供的自由曲面成像系统的设计方法，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。

所述自由曲面成像系统的初始结构模型可包括两个相对的曲面、平面或球面。具体的，所述自由曲面成像系统的初始结构模型的建立可包括以下步骤：