自由曲面成像光学系统的设计方法

1.一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；S8：选取一第二参考系统，选定第二参考系统中的一个曲面位置自由度，并将其定义为第二曲面位置自由度，该第二曲面位置自由度与所述第一曲面位置自由度不同；在第二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”的第五自由曲面成像光学系统；将每个“有扰动”的第五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，得到多个第六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六自由曲面成像光学系统；以及S9：以此类推，直到所有曲面位置自由度均被使用过，得到所述待设计自由曲面成像光学系统。 2.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，所述约束条件包括控制光线遮拦、消除曲面间位置干涉以及控制自由曲面之间的位置关系。 3.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，所述评价指标为特征光线R i (i＝1，2…K)与目标面的实际交点与理想目标点的偏差的均方根值σ RMS ，该σ RMS 的表达式为：其中，σ m 是第m条特征光线与目标面的实际交点与理想目标点的距离。 4.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，所述第一曲面位置自由度为第一参考系统中自由曲面或像面的x方向位移，y方向位移，z方向位移，绕x轴旋转角度，绕y轴旋转角度，绕z轴旋转角度中的任意一个。 5.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，步骤S7中，如果将每个“有扰动”的第三自由曲面成像光学系统作为初始系统，仅重复进行步骤S6时，第一轮迭代不能使用负反馈模式。 6.如权利要求3所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，步骤S8中，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的σ RMS 小于所述第一参考系统的σ RMS ，该最优的第四自由曲面成像光学系统作为所述第二参考系统。 7.如权利要求3所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，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的σ RMS 大于等于所述第一参考系统的σ RMS ，第一参考系统作为第二参考系统。 8.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，进一步包括一对步骤S9中得到的自由曲面成像光学系统进行进一步设计的步骤，具体地，将S9中得到的待设计自由曲面成像光学系统作为新的参考系统，至少一次重复S7-S9的步骤。 9.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，所述自由曲面a上的多个特征数据点的求解包括以下步骤：步骤a′，取定一第一条特征光线R 1 与所述自由曲面a对应的初始曲面的第一交点为特征数据点P 1 ；步骤b′，在得到第i(1≤i≤K-1)个特征数据点P i 后，根据斯涅尔定律的矢量形式求解第i个特征数据点P i 处的单位法向量 进而求得P i 处的单位切向量 步骤c′，仅过所述第i(1≤i≤K-1)个特征数据点P i 做一第一切平面并与其余K-i条特征光线相交，得到K-i个第二交点，从该K-i个第二交点中选取出与所述第i个特征数据点P i 距离最短的第二交点Q i+1 ，并将其对应的特征光线及与所述第i个特征数据点P i 的最短距离分别定义为R i+1 和D i ；步骤d′，过特征数据点P i (1≤i≤K-1)之前已求得的i-1个第一特征数据点分别做一第二切平面，得到i-1个第二切平面，该i-1个第二切平面与所述特征光线R i+1 相交得到i-1个第三交点，在每一第二切平面上每一第三交点与其所对应的特征数据点P i 形成一交点对，在所述交点对中，选出交点对中距离最短的一对，并将距离最短的交点对的第三交点和最短距离分别定义为Q (i+1)′ 和D i′ ；步骤e′，比较D i 与D i′ ，如果D i ≤D i′ ，则把Q i+1 取为下一个特征数据点P i+1 ，反之，则把Q (i+1)′ 取为下一个特征数据点P i+1 ；以及步骤f′，重复步骤b′到e′，直到计算得到自由曲面a上的所有特征数据点P i (i＝1，2…K)。 10.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统的设计方法，其特征在于，所述进行多次迭代过程包括以下步骤：S61：将所述K条特征光线与步骤S3中得到的自由曲面a的多个交点作为特征数据点，分别求解每个特征数据点处的法向量，按照步骤S3中的方法将该多个特征数据点进行曲面拟合，得到一个自由曲面a′；S62：将所述K条特征光线与步骤S4中得到的自由曲面b的多个交点作为特征数据点，分别求解每个特征数据点处的法向量，按照步骤S4中的方法将该多个特征数据点进行曲面拟合，得到一个自由曲面b′；S63：以此类推，直至步骤S5中所有的自由曲面均重新求解完成，完成第一次迭代；S64：以第一次迭代之后得到的自由曲面成像光学系统再次作为初始系统，重复步骤S61到S63，经过多次迭代后，得到所述第二自由曲面成像光学系统，迭代过程完成。