CODE V设计离轴反射式成像系统（1）

本文讲解一款紧凑型反射式成像系统的设计案例，借以说明如何在CODE V中建立离轴系统并使用宏语言设置约束与优化。

1. 引言

对于寻常具有旋转对称性结构的广角镜头来说，由于光阑距离首片镜面较远，因此往往会引入较大的镜片口径，本文设计的离轴反射式系统在前置光阑后使用凹面镜结构可以很好地压缩光学系统的体积，此外，结构构建于一整块PMMA材料之上，非常利于加工且无需后期装配，仅需完成相应反射面的镀膜即可。对于离轴系统而言，系统往往仅对YOZ平面对称，前置光阑也不利于畸变的平衡，因此优化所关注的重点应放在非对称畸变上，需控制光轴上下相同视场角的光束在像面的成像高度（y坐标的绝对值）一致。

本文的设计步骤大致可分为：1. 利用平面镜大致构建光路的几何结构；2. 弯曲最前与最后端的两片反射镜以实现基本对焦；3. 设置各面为球面，优化曲率以控制畸变；4. 扩大与增加视场采样点，设置各反射面为自由曲面，增加约束权重进一步优化畸变与色差；5. 增加自由曲面的表达式项数以提供足够多的优化空间，增加约束条件进一步优化畸变与色差。

2. 粗略建立系统光路的几何结构

系统最终规格为视场±20°，入瞳直径 1mm，工作波段为可见光波段。首先在小视场（0°）、小孔径角（0.1mm入瞳直径）下建立准理想成像系统，如下图所示，利用5个平面反射面（表面3, 4, 5, 6, 7）构建基本光路，表面1为光阑，表面2和表面8为整个系统的入射面及出射面。为保证轴上入射和出射光线的共轴，可以计算出各反射面的夹角，可以看到反射系统具有一定的对称性。