混合表面光学系统的设计方法

1.一种混合表面光学系统的设计方法，其包括以下步骤：S1：建立一第一初始系统，该第一初始系统包括多个初始曲面，且该第一初始系统中的一个初始曲面对应待设计混合表面光学系统中一个曲面，选取来自不同视场不同孔径的K条特征光线；S2：在所述第一初始系统的基础上求解一球面光学系统，将该球面光学系统中的一个待求球面定义为球面a，保持该多个初始曲面不变，逐点求解K条特征光线中的m条特征光线与球面a的m个交点，得到m个第一特征数据点，m＜K，将m个第一特征数据点拟合得到初始球面A m ；根据初始球面A m 得到第m+1个第一特征数据点P m+1 ，将m+1个第一特征数据点拟合得到球面A m+1 ；以此类推，重复求特征数据点-球面拟合的过程，直到求解得到第K个第一特征数据点P K ，将K个第一特征数据点拟合得到球面A K ，该球面A K 为球面a；以此类推，按照所述球面a的求解方法求解该球面光学系统中的其它球面，直到获得该球面光学系统中的所有球面；S3：将待设计混合表面光学系统中的一个待求非球面定义为非球面b，以所述球面光学系统作为第二初始系统，保持球面光学系统中的多个球面不变，将K条特征光线与所述球面a的K个交点作为K个第二特征数据点；将该K个第二特征数据点进行曲面拟合，得到非球面b；以此类推，按照所述非球面b的求解方法求解待设计混合表面光学系统中的其它待求非球面，直到获得待设计混合表面光学系统中所有的待求非球面，进而得到一拥有球面和非球面的第一混合表面光学系统；S4：将待设计混合表面光学系统中的一个待求自由曲面定义为自由曲面c，以所述第一混合表面光学系统作为第三初始系统，保持该第一混合表面光学系统中的非球面不变，将K条特征光线与非球面b的K个交点作为K个第三特征数据点；将该K个 第三特征数据点进行曲面拟合，得到待求自由曲面c；以此类推，按照所述自由曲面c的求解方法求解待设计混合表面光学系统中的其它待求自由曲面，直到获得待设计混合表面光学系统中所有的待求自由曲面，进而得到待设计的混合表面光学系统。 2.如权利要求1所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，将所述初始系统所在的空间定义一全局坐标系xyz，其中，光束传播方向定义为z轴，垂直于z轴方向的平面为xoy平面；所述求解第m+1个第一特征数据点P m+1 包括以下步骤：计算一中间点G m ，其计算方法包括：求解所述第一特征数据点P m 处的切平面T m ，该切平面T m 与所述初始球面A m 相交得到相贯线L m ；在全局坐标系x 0 y 0 z 0 中，在所述相贯线L m 上，与所述第一特征数据点P m 的x 0 坐标相同的点定义为中间点G m ；求解第一特征数据点P m+1 ，其求解方法包括：在剩余的K-m条特征光线中找到距离所述中间点G m 最近的特征光线，该特征光线为第一特征数据点P m+1 对应的特征光线R m+1 ，求解特征光线R m+1 和已知的m个第一特征数据点以及中间点G m 中距离该第一特征数据点P m+1 最近的点的切平面的交点，该交点为所述第一特征数据点P m+1 。 3.如权利要求2所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，所述在剩余的K-m条特征光线中找到距离所述中间点G m 最近的特征光线具体包括以下步骤：根据球面表达式，求得中间点G m 在初始球面A m 处的法向n m ，进而得到中间点G m 在初始球面A m 处的切平面；将中间点G m 的切平面与剩余K-m条特征光线相交，得到K-m个交点，从该K-m个交点中，找到与中间点G m 距离最近的交点P′ m ，该交点P′ m 所在的光线为第一特征点数据点P m+1 对应的特征光线R m+1 。 4.如权利要求2所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，所述求解特征光线R m+1 和已知的m个第一特征数据点以及中间点G m 中距离该第一特征数据点P m+1 最近的点的切平面的交点包括以下步骤：将所述m个第一特征数据点定义为P i ，其中1≤i≤m，特征光线R m+1 与已知的m个第一特征数据点和中间点G m 的切平面相交，对应得到m+1个交点P′ i 和G′ m ；从m+1个第一特征数据点/中间点-交点对中找到距离最短的一对F-F′，其中的第一特征数据点/中间点F为距离第一特征数据点P m+1 最近的点，交点F′即为下一个第一特征数据点P m+1 。 5.如权利要求1所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，所述将m个第一特征数据点拟合得到初始球面A m ；将m+1个第一特征数据点拟合得到球面A m+1 ；以及将K个第一特征数据点拟合得到球面A K ，在拟合过程中同时考虑第一特征数据点坐标误差和法向误差的影响。 6.如权利要求1所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，所述初始球面A m ，球面A m+1 或球面A K 的拟合方法包括以下步骤：S21：所述第一特征数据点的坐标为(x i ，y i ，z i )，对应的法向量为(u i ，v i ，-1)，设球心为(A，B，C)，半径为r，球面的方程为：(x i -A) 2 +(y i -B) 2 +(z i -C) 2 ＝r 2 (1)；S22：将球面的方程(1)分别对x和y进行求导得到x轴和y轴方向的法向矢量u i 表达式(2)和v i 表达式(3)：S23：将式(1)、式(2)、式(3)均改写成矩阵的形式，并进行矩阵的行列变换，分别对应得到通过坐标值，x轴方向法向值以及y轴方向法向值求解圆心坐标的表达式(4)、(5)、(6)： 以及S24：所述球心(A，B，C)的值以及球面半径r的值分别通过式(7)和式(8)得到，式(4)+ω×式(5)+ω×式(6) (7)，式(1)+ω×式(2)+ω×式(3) (8)，其中，ω为法向计算的权重值。 7.如权利要求1所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，步骤S2中，得到所述球面a后，进一步改变该球面a的半径得到球面a′；以此类推，所述球面光学系统中的每个球面求解之后，均改变该球面的半径得到一个新的球面。 8.如权利要求7所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，球面a的半径为r a ，球面a′的半径为r a’ ，r a’ ＝ε a ×r a ，其中ε a ＝0.5～1.5。 9.如权利要求1所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，在将该K个第二特征数据点进行曲面拟合的过程中同时考虑第二特征数据点坐标误差和法向误差的影响，根据物像关系分别求解K个第二特征数据点处的单位法向量；将该K第二特征数据点的坐标和法向进行曲面拟合。 10.如权利要求1所述的混合表面光学系统的设计方法，其特征在于，在将该K个第三特征数据点进行曲面拟合的过程中同时考虑第三特征数据点坐标误差和法向误差的影响，根据物像关系分别求解K个第三特征数据点处的单位法向量；将该K个第三特征数据点的坐标和法向进行曲面拟合。