[发明专利]自由曲面成像光学系统的设计方法

说明书

本发明涉及自由曲面成像光学系统的设计方法，包括：建立初始系统；选取特征光线，求解自由曲面a上的特征数据点，拟合得到自由曲面a；以此类推，得到第一自由曲面成像光学系统；将第一自由曲面成像光学系统作为初始系统，多次迭代，得到第二自由曲面成像光学系统；将第二自由曲面成像光学系统作为参考系统，选一个曲面位置自由度，在该曲面位置自由度的值附近选取多个值，改变对应曲面的位置，得到多个第三自由曲面成像光学系统；将每个第三自由曲面成像光学系统作为初始系统，重复迭代步骤，得到多个第四自由曲面成像光学系统；挑选出满足约束条件且在评价指标下最优的第四自由曲面成像光学系统；以此类推，直到所有曲面位置自由度均被使用过。

技术领域

本发明涉及光学设计领域，尤其涉及一种自由曲面成像光学系统的自动化设计方法。

背景技术

现有的成像光学系统的设计方法中，设计流程一般是先找到一个好的初始结构，然后进行计算机辅助的优化。

然而，这种设计方法并不是十分智能，功能也不够强大。其一，此种设计方法高度依赖初始结构，但可用的初始结构一般是有限的，如果初始结构的结构与参数与设计要求相差很远，可能需要进行长时间的优化。而且对于一些指标先进，结构特殊的成像光学系统，很可能无法找到合适的初始结构。如此，设计者很可能花费大量的时间进行优化，甚至失败。其二，优化过程是一个“技术”与“思维”的有机结合，软件优化算法是很重要的，而人对优化过程的指导与干预以及人的经验与技能等也很重要，因此整个设计过程高度依赖人力参与。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种自由曲面成像光学系统的自动化设计方法。

一种自由曲面成像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自由曲面成像光学系统中一个自由曲面；

步骤S2，根据待设计自由曲面成像光学系统的设计要求，建立自由曲面成像光学系统的约束条件；

步骤S3，将待设计自由曲面成像光学系统中的一个自由曲面定义为自由曲面a，保持所述多个初始曲面不变，选取K条特征光线R_i(i＝1，2…K)，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述K条特征光线与自由曲面a上的多个交点，进而得到自由曲面a上的多个特征数据点，将该自由曲面a上多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面a；

步骤S4，将待设计自由曲面成像光学系统中的另一个自由曲面定义为自由曲面b，保持所述自由曲面a以及自由曲面a对应的初始曲面之外的其它初始曲面不变，根据物像关系及斯涅尔定律逐点求解所述K条特征光线与自由曲面b的多个交点，进而得到所述自由曲面b上的多个特征数据点，将该自由曲面b上的多个特征数据点进行曲面拟合，得到所述自由曲面b；

步骤S5，以此类推，直到获得待设计自由曲面成像光学系统中所有自由曲面，进而得到一第一自由曲面成像光学系统；

步骤S6，将所述第一自由曲面成像光学系统再次作为初始系统，经过多次迭代，得到一第二自由曲面成像光学系统；

步骤S7，将所述第二自由曲面成像光学系统作为一第一参考系统，选定该第一参考系统中的一个曲面位置自由度，并将其定义为第一曲面位置自由度，在第一曲面位置自由度的值的附近选取多个值，改变对应曲面的位置，得到多个“有扰动”的第三自由曲面成像光学系统；将每个“有扰动”的第三自由曲面成像光学系统作为初始系统，重复进行步骤S3-S6或步骤S6，得到多个第四自由曲面成像光学系统；挑选出满足所述约束条件且在评价指标下最优的第四自由曲面成像光学系统；