[發明專利]一種蒙特卡洛焦平面成像光學自動設計方法

在審

• 申請號: 201711020696.4
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107561694A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 涂昊;張華坤;武帥;房燦;馮輝;王文靜;張軍;方財義;孫澤月;朱雨
• 申請（專利權）人: 安徽博微太赫茲信息科技有限公司
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 合肥市浩智運專利代理事務所(普通合伙)34124
• 代理人: 丁瑞瑞

技術領域

本發明涉及成像技術領域，更具體涉及一種蒙特卡洛焦平面成像光學自動設計方法。

背景技術

焦平面成像技術在很多領域有著廣泛的應用，這些應用覆蓋了電磁波譜的各個頻段。比如：(1)在可見光波段上，CCD相機和攝像機都運用了多透鏡系統實現低像差的高精度光學成像；(2)在紅外波段上，紅外焦平面陣列通常被用于測量目標區域溫度分布的紅外熱像儀中，這可以用于照明不足條件下的監視；(3)在毫米波太赫茲頻段上，焦平面成像可以用于主動和被動的人體安檢成像中。

目前的在這些焦平面成像系統的設計中，為了易于制造，通常將焦平面探測器陣列的排布方式設置為等間距均勻平面排布。但是這樣的設置給光學系統的設計帶來了困難。這是因為每一個光學鏡面，不論是反射鏡面或透鏡曲面，都會帶來各種像差，即像平面的彎曲、色散、畸變等等。因此僅僅依靠1～2個光學曲面實現對較大視場的低像差成像幾乎是不可能的。為了將像差的影響降到最低，就需要引入多個曲面，這樣整個光學系統的設計復雜度就大大提升。另一方面，引入多個曲面對于可見光波段還相對容易做到，但對于波長更長的毫米波太赫茲等頻段來說，由于光學器件的尺寸急劇增大，往往需要使用盡量少的曲面實現低像差成像。而且，目前在光學系統設計中，尤其是在毫米波太赫茲頻段，已經越來越多地使用了高階非球面或賦形曲面，這些面形更進一步增加了光學設計的難度。

近年來，一些光學仿真軟件都加入了對光學系統幾何參數自動優化的功能，例如ZEMAX等。但是這些光學仿真軟件的自動優化具有很多局限性，例如ZEMAX中的優化中，如果同時對大量的幾何參數進行優化計算，往往會出現不合理的結果，很多限制條件的調整和輸入在軟件中也存在比較大的困難，如果采用一次優化1～2個面形，逐個面進行優化的方式，則需要進行大量的手動操作，無法實現自動優化的功能。

總而言之，目前來看，還缺少一種能夠通用于各個頻段、多種高階面形的焦平面成像光學的自動設計方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供了一種能夠通用于各個頻段、多種高階面形的蒙特卡洛焦平面成像光學自動設計方法。

本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題的：一種蒙特卡洛焦平面成像光學自動設計方法，主要步驟分為六步：步驟1：分析設計需求；步驟2：建立優化函數；步驟3：進行粗精度優化；步驟4：進行高精度優化；步驟5：得到最優設計參數；步驟6：給出仿真結果，其中步驟2中所述的建立優化函數是創建一個供步驟3和步驟4中所使用的優化目標函數，步驟3和步驟4中所使用的優化方法為蒙特卡洛方法。

作為優化的技術方案，步驟1中分析設計需求中要求給出物平面的位置和尺寸、成像放大比、光學系統最小口徑限制、使用曲面的數量。

作為優化的技術方案，步驟2中所述的建立優化函數是各個像差函數的加權求和，其表達式如下：

Φ＝A₁TSC+A₂SC+(A₃+3A₄)CC+A₅TAC+A₆AC

+A₇TPC+A₈PC+A₉DC+A₁₀TAchC+A₁₁LchC+A₁₂TchC (1)

其中Φ為優化目標函數，TSC為橫向球差，SC為縱向球差，CC為弧矢慧差，TAC為橫向像散，AC為縱向像散，TPC為橫向場曲，PC為縱向場曲，DC為畸變，TAchC為橫向軸向色差，LchC為縱向軸向色差，TchC為垂軸色差，這些色差均是各個曲面的幾何參數的函數，A1至A12為不小于零的加權系數。根據步驟1中的設計需求給出各個加權系數的具體數值。

作為進一步優化的技術方案，步驟2中，如果有其他的限制條件，在(1)式后面添加新的項予以約束。

作為優化的技術方案，步驟3中對(1)式進行計算時運用的是近軸光線幾何關系的解析表達式，其步驟是：

步驟(1)：生成一個初始光學構型作為當前構型；

步驟(2)：計算給出初始光學構型的優化目標函數值作為優化目標函數當前值；

步驟(3)：依次對每個曲面的幾何參數做隨機變動；

步驟(4)：計算隨機變動后的優化目標函數值；