CN110687680A

CN110687680A - 透镜的优化方法

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Publication number: CN110687680A
Application number: CN201810727789.9A
Authority: CN
Inventors: 李超; 郑深; 张晓娟; 方广有
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2038-07-04
Also published as: CN110687680B

Abstract

一种透镜的优化方法，包括以下步骤：选择物平面上的9个特殊点作为优化目标点，将目标点对应的最佳成像质量参数对作为优化目标输入光学仿真软件；在参数对的权重相同的时候在软件中进行优化，增大优化后的结果与目标值差异较大的目标权重；根据优化结果，更改差距较大目标参数对，再次调节权重；改善9个点成像质量；仿真验证是否达到优化目的，确认透镜优化参数值。本发明的透镜的优化方法采用物理光学传播方法，通过选择九个特殊物平面点，定义相关的成像质量评价函数，实现了两个维度的成像质量的最优，具有极强的适用性与快速性，对于实现大视场成像、保证两维度成像质量、实现高帧率高分辨成像有着重要价值。

Description

透镜的优化方法

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种透镜的优化方法。

背景技术

太赫兹波一般是指频率在0.1～10THz(波长在3mm～30μm)之间的电磁波，由于所处的频段位于微波与红外频谱之间，属于宏观电子学向微观电子学过渡的范围，具有宽频带、穿透性、高分辨、指纹谱的特性。

太赫兹波的光子能量低，对生物组织不会产生光损伤及光致电离效应，在生物医学和无损探测等领域具有重大的应用价值；THz波能够穿透衣物、塑料等非极性材料，可用于安检成像；太赫兹波段的波长短，探测分辨率高，可用于航天和空间遥感等领域。

其中应用于安全检测领域的太赫兹成像技术是各个国家都在积极开展研究的技术，将太赫兹成像系统放到机场安检及重要场所的入口处，可以实现非接触的安全检测，可以透过衣服等遮挡物探测到藏匿在人身上毒品、炸药、枪支、匕首等危险违禁物品。现在已经研制出的太赫兹成像原理样机，如美国PNL实验室在2009年研制的0.345～0.355THz扫描三维成像系统，美国JPL实验室在2011年研制的0.66～0.69THz调频连续波三维成像系统，这些系统都是利用一个或多个反射面的转动来实现二维波束扫描，成像时间长达数秒钟，这在实际应用中是极为耗时的。目前国内外在太赫兹快速成像方面能够实现数秒一副图像，在高帧率成像方面还未见成果出现，也没有高帧率成像方法的研究。

中国科学院电子学研究所基于频控波束扫描器件开展高帧率太赫兹成像方法的研究，提出利用多个透镜、平面反射镜和频控波束器件实现二维视场扫描成像。但由于反射镜旋转造成波束发生畸变，对成像质量影响极大。如何优化设计合适的透镜，降低畸变的影响，保证成像质量是值得研究的一个课题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种透镜的优化方法，以便解决上述问题的至少之一。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种透镜的优化方法，包括以下步骤：步骤一：选择物平面上的9个特殊点作为优化目标点，所述9个特殊点为物平面1/4的的4个角，4个边的中心以及物平面的中心点，目标点的优化目标所选参数按照主光轴入射情况，将目标参数对透镜出射波束的聚焦位置和束腰的权重设为1，将优化目标对应的参数输入光学仿真软件运行，观察优化后的结果与目标的偏差；步骤二：调整步骤一得到的结果与目标值权重，增大差异较大的目标权重进行优化；步骤三：根据优化结果，更改差距较大目标参数对，再次调节权重进行优化；步骤四：在中间三个点和下边三个点优化结果理想的情况下，调节左上角的点的参数对与权重，改善上边右侧两个点的成像质量；步骤五：完成步骤一到步骤四后，仿真验证是否达到优化目的，确认透镜优化参数值。

优选地，步骤一中，所述优化目标点还包括所述9个特殊点外的其他点。

优选地，所述透镜的优化方法中，判断物平面成像质量选用的参数对包括但不限于透镜出射波束的聚焦位置与束腰。

优选地，所述透镜的优化方法中使用的光学仿真软件包括但不限于ZEMAX软件。

优选地，所述透镜的优化方法中选取的面型包括但不限于Biconic面。

优选地，所述透镜的优化方法还适用于一个维度透镜的优化。

优选地，所述优化方法应用于太赫兹领域、微波、毫米波、红外以及可见光频段。

从上述技术方案可以看出，本发明的透镜的优化方法具有以下有益效果：

(1)采用9个特殊点作为优化目标点，利用ZEMAX软件实现两个维度成像质量的最优，有助于实现高分辨成像；

(2)结合频控波束扫描器件在高帧率太赫兹成像系统中具有重要的作用，透镜优化设计方法在太赫兹高帧率成像方法中具有重要的价值；

(3)不仅适用于两维度成像质量的优化，对于一个维度成像质量的优化也具有适用性；

(4)不仅适用于大视场下的成像质量的改善，对于小视场下成像质量的优化也具有重要作用；

(5)可以从多个角度作为优化目标，可以利用透镜出射波束聚焦位置与束腰，设置这一参数对相同权重或者聚焦位置优先等方式实现最终物平面成像质量的保证；

(6)不仅适用于太赫兹频段，也适用于毫米波与亚毫米波、红外、可见光等频段。

附图说明

图1为本发明实施例中基于频控波束扫描器件的太赫兹高帧率成像系统平面图：

图2为本发明实施例中反射镜旋转等效原理图；

图3为本发明实施例中本发明的物平面上9个特殊点的选取示意图；

图4为本发明实施例中物平面上9个特殊点的选取示意图；

图5为本发明实施例中未优化前物平面成像分辨率示意图；

图6为本发明实施例中未优化前物平面上9个特殊点成像分辨率示意图；

图7为本发明实施例中优化后物平面上9个特殊点成像分辨率示意图；

图8为本发明实施例中优化后物平面上成像分辨率示意图；

【附图元件说明】

21--高斯波束馈源 22--第一透镜

23--反射型频控波束扫描器件 24--第二透镜

25--平面反射镜 26--第三透镜

27--回波信号接收处理装置

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

具体地，一种透镜的优化方法，包括以下步骤：步骤一：选择物平面上的9个特殊点作为优化目标点，所述9个特殊点为物平面1/4的的4个角，4个边的中心以及物平面的中心点，目标点的优化目标所选参数按照主光轴入射情况，将目标参数对透镜出射波束的聚焦位置和束腰的权重设为1，将优化目标对应的参数输入光学仿真软件运行，观察优化后的结果与目标的偏差；步骤二：调整步骤一得到的结果与目标值权重，增大差异较大的目标权重进行优化；步骤三：根据优化结果，更改差距较大目标参数对，再次调节权重进行优化；步骤四：在中间三个点和下边三个点优化结果理想的情况下，调节左上角的点的参数对与权重，改善上边右侧两个点的成像质量；步骤五：完成步骤一到步骤四后，仿真验证是否达到优化目的，确认透镜优化参数值。

以下结合具体实施例和附图，对本发明的透镜的优化方法作进一步的详细说明。

为了实现透镜的优化，改善成像质量，采用ZEMAX软件中的物理光学传播方法(POP)作为优化工具。图1为本发明实施例中基于频控波束扫描器件的太赫兹高帧率成像系统平面图。如图1所示，高斯波束馈源21出射的高斯波束经第一透镜22准直聚焦到反射型频控波束扫描器件23上，衍射出随频率变化出射角度也变化的高阶衍射波，该频扫器件23中心位于第二透镜24的焦点上，其出射波束经过第二透镜24到达平面反射镜25，通过平面反射镜25的旋转，将衍射波束经过第三透镜26聚焦形成垂直方向上的扫描，水平方向通过频扫器件实现扫描，扫描信号最后进入回波信号接收处理装置27，进而在两个维度实现了视场扫描。

上述平面反射镜25具有高速摆动、摆动角度大的特点。平面反射镜的摆动角度由视场和反射镜与第二透镜之间的距离决定。具体计算过程如下所述：

图2为本发明实施例中反射镜旋转等效原理图。如图2所示，系统成像距离是u，在竖直方向的扫描范围是l_y，视场角

反射镜中心O与透镜顶点的距离是v2，反射镜旋转过程中，等效将平面反射镜25入射波束位置即第一透镜出射波束聚焦位置放置在以平面反射镜25中心O为圆心，以第一透镜出射波束聚焦位置到中心O的距离vl半径的圆弧上，平面反射镜25初始位置与第二透镜24的主光轴夹角是45°，上下旋转摆动相同角度，等效的旋转角θ_v由下式求得：

θ_v＝asin(v2*sinθ_u/v1)+θ_u；

平面反射镜25上下摆动的角度即是θ_v，由于平面反射镜25的旋转造成入射波束路径发生改变，进而影响第三透镜26的出射波束的特性，使其在物平面的波束质量发生畸变，严重偏离中心处的成像质量。由于频控波束形成水平方向上的扫描，第三透镜26的入射波束在水平和垂直方向两个维度都偏离第三透镜26的焦点，造成物平面的成像质量发生严重畸变，尤其在物平面边缘处。为此，选择物平面上的9个特殊点作为优化目标点，通过改善这9个特殊点的成像质量来完成整个物平面成像质量的改善。图3为本发明实施例中本发明的物平面上9个特殊点的选取示意图，如图3所示，考虑到反射镜旋转的对称性以及频控波束扫描特性，选取物平面左上角的四个点1、3、7、9以及它们之间的中点2、4、5、6、8点共9个点。这9个点的成像质量代表了全部物平面的成像质量。

ZEMAX软件里，目标函数也叫评价函数，用来评价优化的最终目标，评价函数用不同的操作数来实现。通过物理光学的射线追迹精确达到目标。

评价函数操作数有4个共同参数，分别为：目标、权重、当前值、贡献。其中目标值和当前值之间关系为

φ_i＝v_i-t_i

φ_i＝v_i-t_i表示目标值与当前实际值之间的偏差，v为当前值，t为目标值。以上公式表示出了这个操作数在整个评价函数中所能贡献的偏差量，通过下面公式评价函数方程得出在整个操作数中的贡献百分比，用％contrib表示出来。

上面公式中的w即weight值，它表示这个操作数在整个评价函数中的比重大小。这是一个相对量，没有特定大小，但权重直接影响着这个操作数的贡献量，很明显，操作数的贡献百分比越大，优化时它的重要性也越容易体现出来。

采用ZEMAX软件中的物理光学传播(POP)方法计算波束经过透镜后的聚焦特性。在ZEMAX软件里，定义POPD操作数，控制高斯波束的聚焦位置与束腰大小，通过构造多重结构，选择9个特殊点作为优化的目标，如图3所示，调节权重大小实现优化目的。

由于波束聚焦位置与束腰大小作为衡量成像分辨率是否满足要求的重要依据，存在很多种搭配结构，在此，将聚焦位置与束腰大小作为一组参数对进行定义，参数对的选择依据透镜中心聚焦特性来确定。这样可以极大减少参数对的选择难题，针对反射镜旋转角度最大带来的波束变化量较大这一情况，参数对的选择可以适当进行调整适配，以便更好的满足成像要求。

优化时不仅仅要考虑成像质量，更需要考虑光斑在X、Y方向的位置，要尽可能保证不同频率相同旋转角度的水平稳定性(Y坐标相同)和相同频率不同旋转角度的竖直稳定性(X坐标相同)，这可以通过REAX、REAY操作数来控制。

当然，焦距的稳定对于优化来说也是重要目标之一，需要设置合适的权重来保证全局焦距的稳定。

在进行优化时，由于权重大小的不确定性，造成优化时侧重点有所不同，结合优化目的，可以概括为以下几种情况：

(1)参数对和其他指标权重相同。此处不考虑任何目标的优先，认为全部指标处于相同的重要程度。这主要是为了判断哪个目标灵敏度大。

(2)成像范围的优先保证。认为成像范围即REAX、REAY操作数处于最重要状态，通过选择合适权重值保证成像范围的满足。这一考虑主要是验证需要损失多少成像范围来保证成像分辨率。

(3)成像质量的优先。认为参数对处于最重要状态，调节权重实现成像分辨率的要求。然而在调节成像质量难免不得考虑成像位置，因此这与统一优化重复。如果完全舍去考虑成像位置，会造成成像范围缩减太大不适宜。

(4)统一优化。不考虑任何一方的重要性，认为所有的目标都是需要努力完成的，调节合适权重去实现。这不同于第一种情况，是优化工作的重心。

(5)成像距离优先。不再控制波束束腰，仅考虑聚焦位置，选择合适的目标与权重来实现优化目的。这主要是为简化优化过程，判断该方法是否可行。

参数对的选择具有多样性，只需满足分辨率要求即可，对于9点优化法来说，最难优化的是3、6、9三个点，在优化过程中，可以发现，通过调节第9点的参数对，可以适当改善3、6点的波束特性，这对于优化过程来说减少了很多繁琐的适配调节过程。

对于权重相同和成像范围等方面的优化考虑是基于判断验证多个优化目标的重要性以及成像范围与质量是否可以同时保证。

优化步骤总结：

在整个优化过程中，主要是考虑控制波束的质量，这体现在控制波束聚焦位置与聚焦束腰大小的控制上。由于优化过程中，有一些优化判断方法和参数对选取方法比较琐碎，将主要的优化步骤列于下面：

Step 1：保证焦距的前提下，优化目标点所选参数对全部按照最优情况(主光轴入射)选择，波束聚焦位置、束腰权重全设为1，观察优化后结果与目标的偏差。

Step2：调节目标值与当前值差异大的目标权重，通过权重分配大小实现较为合理的优化结果。

Step 3：根据优化结果，更改部分目标参数对，再次调节权重进行优化调节。

Step4：在1、2、4、5、7、8六个点优化结果理想的情况下，调节第9个点的参数对与权重，改善3、6两个点的成像质量。

Step5：在完成上述步骤后，再次仿真验证是否达到优化目的，确认透镜优化参数值。

以上是对本发明的一种基于ZEMAX软件的透镜优化设计方法的描述。

作为一设计实例，我们根据图1设计的相关结构参数探讨透镜优化前后，物平面成像质量的变化。

图1所示系统的成像指标要求是在3m处成像，分辨率2.3cm，水平成像范围0.6m，竖直成像范围1.5m，频扫器件工作频率范围是180～200GHz。图4为本发明实施例中物平面上9个特殊点的选取示意图。如图4所示，在物平面上选择的9个特殊点示意图分别选取180GHz、190GHz、200GHz对应的9个点目标。

根据计算可以得到第三透镜26的像距v＝555.5042mm，平面设置反射镜到第二透镜24出射波束聚焦位置距离v1＝400mm，那么平面反射镜25到第三透镜26的距离v2＝155.5042mm，反射镜摆动角度19.4466°。第二透镜24的出射波束聚焦束腰是5.1697mm，第三透镜26的焦距是468.7134mm，选取双曲透镜作为标准透镜，所用透镜折射率是1.5。图5为本发明实施例中未优化前物平面成像分辨率示意图。如图5所示，为物平面600mm*1500mm范围内波束分辨率。

图6为本发明实施例中未优化前物平面上9个特殊点成像分辨率示意图。为了实现两个维度的优化目的，选择Biconic面型作为优化目标。Biconic面型公式如下：

其中，kx、ky是圆锥常数，cx、cy由基半径求得：

Biconic面可以直接定义两个维度的圆锥常数和基半径，从而实现两个维度的优化。

本次优化固定透镜的焦距，那么基半径这一指标固定不变，设置透镜折射率为1.5，那么R_x＝R_y＝234.357mm，调节两个维度的圆锥常数来实现优化目的。ZEMAX软件里构建多重结构模拟透镜出射波束照射物平面上的9个特殊点，利用ZEMAX软件的评价函数自定义功能，选择POPD操作数、REAX操作数、REAY操作数来分别控制X、Y维度的波束聚焦距离与束腰、波束在物平面上的X方向位置、Y方向位置，调节权重值大小，可以突出不同目标的重要性。

为了保证成像质量，主要考虑波束聚焦距离与束腰，通过ZEMAX优化功能，通过定义的评价函数进行HANMMER优化，可以得到优化后的X、Y维度的圆锥常数值。

优化后C_x＝-1.439，C_y＝-5.03。9个特殊点的分辨率优化前后对比如图7所示，全部物平面上分辨率如图8所示，可以发现优化后的透镜成像质量要明显好于未优化的透镜，实现了整个物平面成像质量的最优。

在上述实例中，所述物平面成像质量的判断不局限于使用透镜出射波束的聚焦位置与束腰这一参数对，也可以利用物平面波束半径等指标来判断。

在上述实例中，透镜的优化不局限使用ZEMAX软件，也可以使用其他具有物理光学法的软件或者自定义程序。

在上述实例中，透镜的优化不局限于使用这9个特殊点作为优化目标，可以选取更多目标点作为优化目标。

在上述实例中，透镜优化选取的面型不局限于Biconic面，也可以是其他面型。

在上述实例中，透镜优化方法不仅仅适用于二维优化，还适用于一个维度透镜的优化。

在上述实例中，透镜优化设计方法同样适用于小视场的情况。

在上述实例中，透镜优化设计方法不但适用于太赫兹频段，还适用于毫米波、亚毫米波、红外、可见光等频段。

本发明实施例的基于ZEMAX软件的大视场透镜的优化设计方法，不但具有广阔的适用性、设计快速高效性，还有助于实现太赫兹成像系统的高分辨、高帧率。

综上所述，本发明的透镜的优化方法采用物理光学传播(POP)方法，通过选择九个特殊物平面点，定义相关的成像质量评价函数，实现了两个维度的成像质量的最优，具有极强的适用性与快速性，对于实现大视场成像、保证两维度成像质量、实现高帧率高分辨成像有着重要价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种透镜的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选择物平面上的9个特殊点作为优化目标点，所述9个特殊点为物平面1/4的的4个角，4个边的中心以及物平面的中心点，目标点的优化目标所选参数按照主光轴入射情况，将目标参数对透镜出射波束的聚焦位置和束腰的权重设为1，将优化目标对应的参数输入光学仿真软件运行，观察优化后的结果与目标的偏差；

步骤二、调整步骤一得到的结果与目标值权重，增大差异较大的目标权重进行优化；

步骤三、根据优化结果，更改差距较大目标参数对，再次调节权重进行优化；

步骤四、在中间三个点和下边三个点优化结果理想的情况下，调节左上角的点的参数对与权重，改善上边右侧两个点的成像质量；

步骤五、完成步骤一到步骤四后，仿真验证是否达到优化目的，确认透镜优化参数值。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，

步骤一中，所述优化目标点还包括所述9个特殊点外的其他点。

3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，

所述透镜的优化方法中，判断物平面成像质量选用的参数对包括但不限于透镜出射波束的聚焦位置与束腰。

4.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，

所述透镜的优化方法中使用的光学仿真软件包括但不限于ZEMAX软件。

5.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，

所述透镜的优化方法中选取的面型包括但不限于Biconic面。

6.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，

所述透镜的优化方法还适用于一个维度透镜的优化。

7.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，

所述优化方法应用于太赫兹领域、微波、毫米波、红外以及可见光频段。