CN110764257A - 光学系统初始结构生成方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光学系统初始结构生成方法。上述光学系统初始结构生成方法，利用德拉诺图结合全局优化算法，自动生成符合设计要求的光学系统一阶结构，解决了光学系统中生成一阶结构时计算繁琐的问题。利用光学设计软件的全局优化算法对得到的光学系统的初始一阶结构进行校验。通过校验后的一阶初始结构优化出相应的结构参数，进而根据所述结构参数得到所述光学系统初始结构。本申请提供了一种高效，快捷，实用的初始结构求解方法，解决了光学工程师在设计镜头时寻找初始结构的不确定性因素。

Description

光学系统初始结构生成方法

技术领域

本申请涉及光学设计领域，特别是涉及一种光学系统初始结构生成方法。

背景技术

当光学工程师在设计一款镜头时，一般是从查找一个初始结构开始，而这个过程具有不确定性。对于一些困难的样例必须从初始结构开始设计，当前使用较多的方法是基于初级像差方程的PWC法，但是此方法计算量大，公式复杂，需要对各镜组分配光焦度，对光学设计人员要求具有丰富的经验。因此，光学工程师在设计镜头时，急需一种实用，高效，快捷的初始结构设计方法。

发明内容

基于此，有必要针对传统的光学系统初始结构生成方法计算量大，公式复杂的问题，提供一种光学系统初始结构生成方法。

一种光学系统初始结构生成方法，所述光学系统包括多个镜组，所述光学系统初始结构生成方法包括：

S10，根据设计要求，结合德拉诺图设置约束条件和目标函数，采用全局优化算法迭代搜索，以使得所述目标函数值最小，得到每一个所述镜组的一阶量，进而得到所述光学系统的一阶初始结构；

S20，利用光学设计软件的全局优化算法对所述一阶初始结构进行校验；

S30，通过校验后的所述一阶初始结构优化得出每一个所述镜组的结构参数，进而根据每一个所述镜组的结构参数得到所述光学系统初始结构。

在其中一个实施例中，所述S10，根据设计要求，结合德拉诺图设置约束条件和目标函数，采用全局优化算法迭代搜索，以使得所述目标函数值最小，得到每一个所述镜组的一阶量，进而得到所述光学系统的一阶初始结构的步骤包括：

根据所述光学系统的基本参数及加工条件设置约束条件；

结合德拉诺图，设置所述目标函数，所述目标函数包括变量组，所述变量组包括每一个所述镜组的边缘光线高和每一个所述镜组的主光线高；

采用全局优化算法迭代搜索，确定满足设计要求的所述变量组的值，以使得所述目标函数值最小；

根据所述变量组的值，自动求得每一个所述镜组的一阶量，以得到所述光学系统的一阶初始结构。

在其中一个实施例中，当需要设计无限共轭光学系统时，所述约束条件包括视场角，焦距，入瞳直径及加工条件。

在其中一个实施例中，当需要设计有限共轭光学系统时，所述约束条件包括数值孔径，入瞳直径，焦距，物高、像高设置及加工条件。

在其中一个实施例中，所述S20，利用光学设计软件的全局优化算法对所述一阶初始结构进行校验的步骤包括：

将所述约束条件和所述目标函数植入所述光学设计软件中；

根据所述约束条件和所述目标函数以及权重函数，设置操作数指令；

根据所述操作数指令，并采用全局优化算法进行迭代再搜索，进而完成校验。

在其中一个实施例中，所述S30，通过校验后的所述一阶初始结构优化得出每一个所述镜组的结构参数，进而根据每一个所述镜组的结构参数得到所述光学系统初始结构的步骤包括：

利用所述光学设计软件的优化函数编辑器读取初级像差方程组所需的一阶初始结构数据；

在所述优化函数编辑器建立每一个所述镜组的初级像差方程组；

利用所述光学设计软件的加权最小二乘法求解包括所述初级像差方程组的多元非线性方程组，得到满足要求的每一个所述镜组的像差参数和色差参数；

判断每一个所述镜组的相对孔径大小，确定每一个所述镜组的类型，进而根据每一个所述镜组的像差参数和色差参数解出各镜组的初始结构。

在其中一个实施例中，所述利用所述光学设计软件的优化函数编辑器读取初级像差方程组所需的一阶初始结构数据之前还包括：

将非线性方程组移植到所述光学设计软件中；

在所述光学设计软件中的镜头数据编辑器中新建虚拟曲面，用于存储每一个所述镜组的像差参数、色差参数组元数量以及阿贝数。

在其中一个实施例中，所述利用所述光学设计软件的加权最小二乘法求解包括所述初级像差方程组的多元非线性方程组，得到满足要求的每一个所述镜组的像差参数和色差参数的步骤包括：

以满足像差要求为目标，对每一个所述镜组进行独立优化，以得到每一个所述镜组的像差参数和色差参数，并求解出每一个所述镜组的赛特值；

以所述光学系统的赛特和数作为目标，重新获取每一个所述镜组的像差参数和色差参数，所述赛特和数为每一个所述镜组的赛特值的加和。

在其中一个实施例中，所述非线性方程组为：

其中S_I，S_II，S_III，S_IV，S_V，C_I，C_II分别为球差，慧差，像散，场曲，畸变，横向色差，垂轴色差；h和h_Z分别为边缘光线高和主光线高；J为拉赫不变量；π为折射率倒数；Φ为镜组的光焦度；P，W均为像差参数。

在其中一个实施例中，所述全局优化算法为粒子群算法或遗传算法。

上述光学系统初始结构生成方法，利用德拉诺图结合全局优化算法，自动生成符合设计要求的光学系统一阶结构，解决了光学系统中生成一阶结构时计算繁琐的问题。利用光学设计软件的全局优化算法对得到的光学系统的初始一阶结构进行校验。通过校验后的一阶初始结构优化出相应的结构参数，进而根据所述结构参数得到所述光学系统初始结构。本申请提供了一种高效，快捷，实用的初始结构求解方法，解决了光学工程师在设计镜头时寻找初始结构的不确定性因素。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的光学系统初始结构生成方法流程图；

图2为本申请一个实施例提供的光学系统初始结构生成方法实施流程图；

图3为本申请一个实施例提供的粒子群算法优化得到的德拉诺图；

图4为本申请一个实施例提供的精校验后一阶结构的二维布局图；

图5为本申请一个实施例提供的简单优化后的光学系统图；

图6为本申请一个实施例提供的简单优化后的光学系统调制传递函数图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1本申请一个实施例提供一种光学系统初始结构生成方法。所述光学系统包括多个镜组。所述光学系统初始结构生成方法包括：

S10，根据设计要求，结合德拉诺图设置约束条件和目标函数，采用全局优化算法迭代搜索，以使得所述目标函数值最小，得到每一个所述镜组的一阶量，进而得到所述光学系统的一阶初始结构。步骤S10中，所述设计要求可以包括光学系统工作波段、视场、孔径、像高、系统光焦度、组元个数、物距、总长和像质要求。所述一阶量包括各组元的光焦度、间距、边缘光线高、最大视场主光线高。

S20，利用光学设计软件的全局优化算法对所述一阶初始结构进行校验。步骤S20中，所述光学设计软件可以为Zemax。在其中一个可选的实施例中，所述全局优化算法为粒子群算法或遗传算法。当通过步骤S10得到一个达到局部最优的一阶初始结构后，利用光学设计软件的全局优化算法，对其进行精校验，由于搜索的路径不一样，可以跳出局部最优。

S30，通过校验后的所述一阶初始结构优化得出每一个所述镜组的结构参数，进而根据每一个所述镜组的结构参数得到所述光学系统初始结构。步骤S30中，所述结构参数可以为像差参数和色差参数(P参数、W参数、C参数)。

本实施例中，上述光学系统初始结构生成方法，利用德拉诺图结合全局优化算法，自动生成符合设计要求的光学系统一阶结构，解决了光学系统中生成一阶结构时计算繁琐的问题。利用光学设计软件的全局优化算法对得到的光学系统的初始一阶结构进行校验。通过校验后的一阶初始结构优化出相应的结构参数，进而根据所述结构参数得到所述光学系统初始结构。本申请提供了一种高效，快捷，实用的初始结构求解方法，解决了光学工程师在设计镜头时寻找初始结构的不确定性。

请参见图2，在其中一个实施例中，所述S10，根据设计要求，结合德拉诺图设置约束条件和目标函数，采用全局优化算法迭代搜索，以使得所述目标函数值最小，得到每一个所述镜组的一阶量，进而得到所述光学系统的一阶初始结构的步骤包括：

根据所述光学系统的基本参数及加工条件设置约束条件。结合德拉诺图，设置所述目标函数，所述目标函数包括变量组，所述变量组包括每一个所述镜组的边缘光线高和每一个所述镜组的主光线高。采用全局优化算法迭代搜索，确定满足设计要求的所述变量组的值，以使得所述目标函数值最小。根据所述变量组的值，自动求得每一个所述镜组的一阶量，以得到所述光学系统的一阶初始结构。在其中一个可选的实施例中，当需要设计无限共轭光学系统时，所述约束条件包括视场角，焦距，入瞳直径及加工条件。在其中一个可选实施例中，当需要设计有限共轭光学系统时，所述约束条件包括数值孔径，入瞳直径，焦距，物高、像高设置及加工条件。

具体的，在光学系统一阶结构设计中，需要目标函数及约束条件。其目标函数可以是边缘光学和主光线在各镜组的偏角大小，光学总长，物方远心，像方远心，或其中的组合等，各目标函数用y_i，两种参数表示。y_i，

是边缘光线和主光线在第i个镜组的光线高。目标函数的选择较灵活，根据设计要求选取即可。将目标函数和约束条件形成一组同时发生的非线性方程组、不等式、等式进行优化，使暂时与光学系统初始结构无重大关系的参与而与系统和外形直接相关的参数得到满足。

在其中一个实施例中，所述S20，利用光学设计软件的全局优化算法对所述一阶初始结构进行校验的步骤包括：

将所述约束条件和所述目标函数植入所述光学设计软件中。根据所述约束条件和所述目标函数以及权重函数，设置操作数指令。根据所述操作数指令，并采用全局优化算法进行迭代再搜索，进而完成校验。

具体的，可以利用Zemax的优化函数编辑器编写约束条件及目标函数，使用操作数可以很方便的表示各种各样的光学参数。比如RAIN和RAED可以表示边缘光线和主光线在各镜组的入射角和出射角，PARY可表示y_i，

值，这可以编写各镜组的偏角，物方远心，像方远心等目标函数。EFFL表示焦距，CTVA表示镜组之间的间隔，TOTR表示总长，EFLY表示各镜组的焦距等操作可以用来编写约束条件。约束条件使用较大的权重来限制，目标函数使用较小的权重来限制，这个过程简单快速，且可控。运行zemax的全局优化算法完成校验。

所述的全局优化算法可以为粒子群优化算法，其实现的流程如下：(1)根据系统类型，无限共轭和有限共轭两种，输入光学系统的基本设计参数。(2)根据系统的基本设计参数对粒子位置以及粒子速度进行初始化。粒子的位置坐标对应的是各个组元上y_i，

的大小，粒子所在空间的维数即自变量的维数和组元个数有关，如果有N个组元，那么粒子所在空间维数为2N。(3)根据入瞳直径的大小，设置各个镜组光线高的取值范围，根据设计要求建立约束条件。初始化有关粒子群算法的其他参数，这些参数包括粒子个数、迭代最大次数、惯性权重以及粒子速度最大值。(4)计算粒子的初始适应值。(5)根据适应值的大小，每个粒子记录自身所经过的最优位置处的坐标和适应值大小。(6)适应值最小的位置即为全局极值所在位置，记录其坐标和适应值大小。(7)根据粒子群算法的迭代公式，进行更新粒子，及计算相应的适应值。(8)判断迭代是否结束，跳出循环，输出结果。简单地说，其实就是优化一个有约束的多维非线性问题。

在其中一个实施例中，所述S30，通过校验后的所述一阶初始结构优化得出每一个所述镜组的结构参数，进而根据每一个所述镜组的结构参数得到所述光学系统初始结构的步骤包括：

将非线性方程组移植到所述光学设计软件中。在所述光学设计软件中的镜头数据编辑器中新建虚拟曲面，用于存储每一个所述镜组的像差参数、色差参数组元数量以及阿贝数。利用所述光学设计软件的优化函数编辑器读取初级像差方程组所需的一阶初始结构数据。在所述优化函数编辑器建立每一个所述镜组的初级像差方程组。利用所述光学设计软件的加权最小二乘法求解包括所述初级像差方程组的多元非线性方程组，得到满足要求的每一个所述镜组的像差参数和色差参数。判断每一个所述镜组的相对孔径大小，确定每一个所述镜组的类型，进而根据每一个所述镜组的像差参数和色差参数解出各镜组的初始结构。其中，判断各镜组的相对孔径大小，确定各镜组是单透镜还是双胶合透镜，一般相对孔径小于1/3，为单透镜。相对孔径大于1/3，小于1为双胶合透镜。

具体的，用最小二乘法解的过程中，令各镜的物方焦距、像差参数(P参数或W参数)、色差参数变化要略小(权因子小，但不能不控制)、系统S_I，S_II，S_III，S_IV，S_V，C_I，C_II较严格达到目标要求(权因子大，应较严格控制)。

所述非线性方程组为：

其中S_I，S_II，S_III，S_IV，S_V，C_I，C_II分别为球差，慧差，像散，场曲，畸变，横向色差，垂轴色差；h和h_Z分别为边缘光线高和主光线高；J为拉赫不变量；π为折射率倒数；Φ为镜组的光焦度；P，W均为像差参数。

在其中一个可选的实施例中，所述利用所述光学设计软件的加权最小二乘法求解包括所述初级像差方程组的多元非线性方程组，得到满足要求的每一个所述镜组的像差参数和色差参数的步骤包括：

以满足像差要求为目标，对每一个所述镜组进行独立优化，以得到每一个所述镜组的像差参数和色差参数，并求解出每一个所述镜组的赛特值。以所述光学系统的赛特和数作为目标，重新获取每一个所述镜组的像差参数和色差参数，所述赛特和数为每一个所述镜组的赛特值的加和。

利用上述方法校完所有单镜组后，所有单镜组的初解都有了，然后进行全系统优化。由于单镜组的像差参数和色差参数解出的赛特值，与实体透镜均较接近，但将其彼此相加后的赛特和数与实体系统赛特和像差较大，其原因在于彼此不能很好的相消。为此在保证各镜组的像差参数和色差参数变动不大的前提下，用全系统实体的赛特和数作为目标值，重求各镜之像差参数和色差参数。其具体方法是将所有镜组的像差参数和色差参数都设置为变量优化。这样，在满足像差要求的条件下，便求解出所有镜组的像差参数和色差参数。

为了校验本申请的有效性，设计一款视场中孔径的照相物镜。其基本设计要求为，视场角为60°，焦距13.2mm，相对孔径7.4mm，F数为1.8，组元数为10。设计阶段涉及玻璃的选择有两种方法：(1)在成本的要求的前提下，选择高折射率的玻璃，再优化阶段，再使用商业设计软件替换。(2)在目标函数中，加上色差和场曲的初级像差公式，再约束折射率的大小为1.49<n<1.85，约束阿贝数的大小23.5<V<85。两种方法均可在设计阶段降低色差提高像质。这里选择第一种方法。

根据设计要求建立目标函数及约束条件，调用粒子群优化算法对设计的delanodiagram(德拉诺图)进行优化，得到一组满足要求的delano diagram坐标y_i，

根据delano diagram中的一阶量与y_i，的关系，我们计算出组元间距d，焦距f，光阑的位置及距最近前后组元的距离，如表一。用粒子群算法优化出的光学系统一阶结构的DelanoDiagram如图3。从表一及图3，都可以明显知道光阑位于组元5及组元6之间。通过DelanoDiagram中，y_i，

与光阑位置的关系，可以知道，组元5到光阑的间距为6.14，光阑到组元6的间距为2.25。

表一、一阶量与y_i，

的关系表

在精校验阶段，在zemax软件的优化函数编辑器中建立目标函数。所述目标函数可以是镜头的偏角。然后将各个镜组的偏角相加，用一个较小的权重控制。用较大的权重控制系统的焦距，镜组间隔，及各镜组的焦距。采用全局优化算法搜寻，以寻找更佳的系统。其镜头二维布局图如图4所示。在精校验后，镜头的总偏角从146下降到123，小的偏角意味着小的像差。在实体化的阶段，其具体步骤：(1)色差和场曲是比较难校正的，所以首先进行场曲和色差的优化。将各组元的折射率，阿贝数，焦距，间距设计为变量，校正色差及场曲，如此得到一个色差及场曲较小的系统。(2)求解各镜组的像差参数和色差参数及初始结构求解，将各组元的折射率，阿贝数，焦距，间距设计为常量，将相应的镜组的像差参数和色差参数设为变量，先对单个镜组求解像差参数和色差参数，然后再对全系统求像差参数和色差参数。在merit function editor中一起植入初级像差公式和初始结构求解公式，在解出像差参数和色差参数的同时，也知道了各镜组的前后表面的半径值，而且可以检查求解的初始结构半径有没有过小，过半球的情况，在半径值框中输入目标值和权重即可实现对求解出的半径值的调整。使用光学设计软件简单优化后的镜头图如图5。所述使用光学设计软件简单优化后的镜头的性能如图6所示。从图6中可以看出，简单优化后，便可得到很好的光学初始结构，该结构仍有很大的校正空间。验证了基于Delanodiagram和PWC法的光学系统初始结构生成方法的有效性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光学系统初始结构生成方法，其特征在于，所述光学系统包括多个镜组，所述光学系统初始结构生成方法包括：

S10，根据设计要求，结合德拉诺图设置约束条件和目标函数，采用全局优化算法迭代搜索，以使得所述目标函数值最小，得到每一个所述镜组的一阶量，进而得到所述光学系统的一阶初始结构；

S20，利用光学设计软件的全局优化算法对所述一阶初始结构进行校验；

S30，通过校验后的所述一阶初始结构优化得出每一个所述镜组的结构参数，进而根据每一个所述镜组的结构参数得到所述光学系统初始结构。

2.根据权利要求1所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，所述S10，根据设计要求，结合德拉诺图设置约束条件和目标函数，采用全局优化算法迭代搜索，以使得所述目标函数值最小，得到每一个所述镜组的一阶量，进而得到所述光学系统的一阶初始结构的步骤包括：

根据所述光学系统的基本参数及加工条件设置约束条件；

结合德拉诺图，设置所述目标函数，所述目标函数包括变量组，所述变量组包括每一个所述镜组的边缘光线高和每一个所述镜组的主光线高；

采用全局优化算法迭代搜索，确定满足设计要求的所述变量组的值，以使得所述目标函数值最小；

根据所述变量组的值，自动求得每一个所述镜组的一阶量，以得到所述光学系统的一阶初始结构。

3.根据权利要求2所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，当需要设计无限共轭光学系统时，所述约束条件包括视场角，焦距，入瞳直径及加工条件。

4.根据权利要求2所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，当需要设计有限共轭光学系统时，所述约束条件包括数值孔径，入瞳直径，焦距，物高、像高设置及加工条件。

5.根据权利要求1所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，所述S20，利用光学设计软件的全局优化算法对所述一阶初始结构进行校验的步骤包括：

将所述约束条件和所述目标函数植入所述光学设计软件中；

根据所述约束条件和所述目标函数以及权重函数，设置操作数指令；

根据所述操作数指令，并采用全局优化算法进行迭代再搜索，进而完成校验。

6.根据权利要求1所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，所述S30，通过校验后的所述一阶初始结构优化得出每一个所述镜组的结构参数，进而根据每一个所述镜组的结构参数得到所述光学系统初始结构的步骤包括：

利用所述光学设计软件的优化函数编辑器读取初级像差方程组所需的一阶初始结构数据；

在所述优化函数编辑器建立每一个所述镜组的初级像差方程组；

利用所述光学设计软件的加权最小二乘法求解包括所述初级像差方程组的多元非线性方程组，得到满足要求的每一个所述镜组的像差参数和色差参数；

判断每一个所述镜组的相对孔径大小，确定每一个所述镜组的类型，进而根据每一个所述镜组的像差参数和色差参数解出各镜组的初始结构。

7.根据权利要求6所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，所述利用所述光学设计软件的优化函数编辑器读取初级像差方程组所需的一阶初始结构数据之前还包括：

将非线性方程组移植到所述光学设计软件中；

在所述光学设计软件中的镜头数据编辑器中新建虚拟曲面，用于存储每一个所述镜组的像差参数、色差参数组元数量以及阿贝数。

8.根据权利要求7所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，所述利用所述光学设计软件的加权最小二乘法求解包括所述初级像差方程组的多元非线性方程组，得到满足要求的每一个所述镜组的像差参数和色差参数的步骤包括：

以满足像差要求为目标，对每一个所述镜组进行独立优化，以得到每一个所述镜组的像差参数和色差参数，并求解出每一个所述镜组的赛特值；

以所述光学系统的赛特和数作为目标，重新获取每一个所述镜组的像差参数和色差参数，所述赛特和数为每一个所述镜组的赛特值的加和。

9.根据权利要求8所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，所述非线性方程组为：

其中S_I，S_II，S_III，S_IV，S_V，C_I，C_II分别为球差，慧差，像散，场曲，畸变，横向色差，垂轴色差；h和h_Z分别为边缘光线高和主光线高；J为拉赫不变量；π为折射率倒数；Φ为镜组的光焦度；P，W均为像差参数。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的光学系统初始结构生成方法，其特征在于，所述全局优化算法为粒子群算法或遗传算法。

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