[發明專利]一種自由曲面成像系統的設計方法

有效

• 申請號: 202011015278.8
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112162404B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 楊通;程德文;王涌天
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 代麗;郭德忠

本發明提供了一種自由曲面成像系統設計方法，設計過程采用強化學習思路，基于貪心策略自動對于不同設計路徑試錯，并不斷探索更優的設計路徑和設計經驗，有效降低時間成本和人力參與，不需要預先設計經驗，可以總結相關設計經驗，自動化、較高效率地完成良好像質自由曲面系統的設計和搜索，并能避免陷入局部最優值。

技術領域

本發明屬于光學設計領域，尤其涉及一種自由曲面成像系統的設計方法。

背景技術

自由曲面相對于傳統的球面或非球面可為光學設計提供更多的自由度，進而可以大大提升系統成像質量，并可使系統結構更靈活、元件數量更少、體積更小、質量更輕。因此，自由曲面被認為是光學設計領域的一次革命性的發展。但是自由曲面成像系統設計的難度較大。

傳統系統的光學設計方法需要首先從專利庫或者其他系統中找到初始結構，然后進行后續優化得到設計結果。然而，對于自由曲面成像系統，系統參數可能很高(例如大視場、大孔徑)，很難找到系統參數匹配的初始結構。

基于此，目前對于自由曲面成像系統，尤其是系統參數較高的系統，一般采用漸進式的設計方法，即以采用初級簡單面型、系統參數較低的系統為起點，在后續的漸進式設計中，不斷加入新的變量，并逐步增加系統參數，逐步優化得到最終設計。然而不同設計步驟的不同先后順序會導致設計結果有差異，并且差異可能很大。由于自由曲面成像系統較為復雜，且研究歷史有限，設計經驗較為匱乏。如果設計者在缺乏相關設計經驗的情況下希望得到良好的設計結果，可能需要進行大量的試錯，從而花費大量時間與人力。

盡管目前研究者們針對自由曲面成像系統設計提出了一系列方法，但不能用于總結設計經驗并且沒有實現設計自動化，且采用這些設計方法容易陷入局部最優值，無法實現全局最優。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供了一種自由曲面成像系統設計方法，能夠總結相關設計經驗，自動化、較高效率地完成良好像質自由曲面系統的設計和搜索，并能夠實現跳出局部最優。

為實現上述目的，本發明技術方案如下：

本發明的一種自由曲面成像系統的設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：將設計過程中的每一步得到的系統定義為一個狀態，并用矢量si表示，其中，i表示當前狀態序號；

根據自由曲面成像系統的設計要求，確定一個設計過程的初始系統；其中，初始系統的基本結構形式和設計要求一致，所述基本結構形式包括光路折疊形式、系統中曲面的數量、自由曲面的數量、自由曲面在系統中的出現順序、各自由曲面所屬的面型種類以及孔徑光闌為第幾個曲面；

初始化一個空的獎賞表，所述獎賞表用于記錄表示設計過程中出現的狀態的矢量、每個狀態下可能出現的設計動作以及每個動作的狀態動作值；

初始化一個貪心概率ε，其中0＜ε＜1；

建立設計過程中使用的約束條件，確定對系統優化使用的誤差函數以及優化算法；

定義系統狀態的獎賞值的計算方法；其中，獎賞值的大小和每個系統狀態的成像質量相關；

定義設計過程的終止狀態；所述終止狀態是指系統狀態已經達到終止條件；

記當前設計回合序號為k，設定最大允許的設計回合數k_max；

此時，當前狀態序號i＝1，當前設計回合序號k＝1；

將初始系統定義為設計過程的初始狀態sini，作為自由曲面成像系統設計的起點，令s₁＝sⁱⁿⁱ；