[发明专利]一种多反离轴光学系统初始结构一体化建模方法

说明书

本发明公开一种多反离轴光学系统初始结构一体化建模方法，首先建立空间直角坐标系，基于近轴光学理论为每一个反射镜建立同轴结构统一的面型表达；然后结合旋转矩阵和位移矩阵得到旋转和位移后的离轴结构的镜面统一表达；接着构建以任意镜为基准的镜间关系表达；再对离轴反射系统的成像光路进行建模，最后以出射光线与像面交点的高度差为约束建立目标函数，得到k面反射镜的面形系数。本发明巧妙地将复杂的自由曲面建模简化为能够结合转换矩阵一体化表达位姿和相对位置关系的二次曲线建模，实现了空间任意位姿反射镜面形的一体化模型的建立，适用于任意多面反射镜的离轴系统的设计。

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，尤其涉及一种多反离轴光学系统初始结构一体化建模方法。

背景技术

目前，在多反离轴光学系统的设计方面，最常用的是专利库匹配设计。这种设计方法是在光学专利库中找到一个与设计目标中反射镜数目相等且焦距或入瞳直径等指标相似的离轴反射系统，依靠光学设计人员的经验，在光学仿真软件上逐步调节系统中反射镜的光学参数，然后再整体优化系统的光学性能，使多反离轴光学系统的结构越来越接近于设计目标。

对于离轴反射系统，光学专利库中可用的初始结构非常有限，因此在找到与设计目标反射镜数目相等的离轴反射系统后，有很大可能发现该光学系统与设计目标要求相差很大，而不得不放弃；即使在专利库中找到与设计目标反射镜数目相等且焦距或入瞳相似的系统，为使系统完全达到设计目标的要求，依然需要不断调节反射镜的面型和位姿，不断优化系统的光学性能，这个调节和优化的过程需要很高的时间成本，且容易失败。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种多反离轴光学系统初始结构一体化建模方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多反离轴光学系统初始结构一体化建模方法，包括如下步骤：

步骤1：建立空间直角坐标系，使主镜的中心在坐标原点处，即主镜中心距坐标原点的距离d_c0的值设为0；

步骤2：根据设计要求，基于近轴光学理论得到同轴结构，并为每一个反射镜建立统一的面型表达，面型表达式如下：

A＝[x y 1]

其中，d_c(n-1)为第n-1面反射镜中心和第n面反射镜中心之间的距离；R_n为第n面反射镜的中心点曲率半径；e_n为第n面反射镜的偏心率；k为反射镜总数；A为坐标点矩阵；B_n为面型描述矩阵；表示同轴结构时反射镜的面型表达式；x为反射镜上任意点的x坐标；y为反射镜上任意点的y坐标。

本实施例中，设计要求包括反射镜数，入瞳尺寸，系统焦距等。

步骤3：根据每一反射镜的倾斜角度得到对应的旋转矩阵C_n，根据每一反射镜中心点的位移情况得到对应的位移矩阵，结合旋转矩阵和位移矩阵得到旋转和位移后的离轴结构的镜面统一表达；

所述根据每一反射镜的倾斜角度得到对应的旋转矩阵C_n的方法如下：

其中，其中α_n为第n面反射镜的倾斜角度。

所述根据每一反射镜中心点的位移情况得到对应的位移矩阵的方法如下：

其中，DM为位移矩阵，Δx和Δy分别为反射镜沿x轴和y轴的位移量。

所述离轴结构的镜面统一表达如下：