[发明专利]一种蒙特卡洛焦平面成像光学自动设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及成像技术领域，更具体涉及一种蒙特卡洛焦平面成像光学自动设计方法。

背景技术

焦平面成像技术在很多领域有着广泛的应用，这些应用覆盖了电磁波谱的各个频段。比如：(1)在可见光波段上，CCD相机和摄像机都运用了多透镜系统实现低像差的高精度光学成像；(2)在红外波段上，红外焦平面阵列通常被用于测量目标区域温度分布的红外热像仪中，这可以用于照明不足条件下的监视；(3)在毫米波太赫兹频段上，焦平面成像可以用于主动和被动的人体安检成像中。

目前的在这些焦平面成像系统的设计中，为了易于制造，通常将焦平面探测器阵列的排布方式设置为等间距均匀平面排布。但是这样的设置给光学系统的设计带来了困难。这是因为每一个光学镜面，不论是反射镜面或透镜曲面，都会带来各种像差，即像平面的弯曲、色散、畸变等等。因此仅仅依靠1～2个光学曲面实现对较大视场的低像差成像几乎是不可能的。为了将像差的影响降到最低，就需要引入多个曲面，这样整个光学系统的设计复杂度就大大提升。另一方面，引入多个曲面对于可见光波段还相对容易做到，但对于波长更长的毫米波太赫兹等频段来说，由于光学器件的尺寸急剧增大，往往需要使用尽量少的曲面实现低像差成像。而且，目前在光学系统设计中，尤其是在毫米波太赫兹频段，已经越来越多地使用了高阶非球面或赋形曲面，这些面形更进一步增加了光学设计的难度。

近年来，一些光学仿真软件都加入了对光学系统几何参数自动优化的功能，例如ZEMAX等。但是这些光学仿真软件的自动优化具有很多局限性，例如ZEMAX中的优化中，如果同时对大量的几何参数进行优化计算，往往会出现不合理的结果，很多限制条件的调整和输入在软件中也存在比较大的困难，如果采用一次优化1～2个面形，逐个面进行优化的方式，则需要进行大量的手动操作，无法实现自动优化的功能。

总而言之，目前来看，还缺少一种能够通用于各个频段、多种高阶面形的焦平面成像光学的自动设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够通用于各个频段、多种高阶面形的蒙特卡洛焦平面成像光学自动设计方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种蒙特卡洛焦平面成像光学自动设计方法，主要步骤分为六步：步骤1：分析设计需求；步骤2：建立优化函数；步骤3：进行粗精度优化；步骤4：进行高精度优化；步骤5：得到最优设计参数；步骤6：给出仿真结果，其中步骤2中所述的建立优化函数是创建一个供步骤3和步骤4中所使用的优化目标函数，步骤3和步骤4中所使用的优化方法为蒙特卡洛方法。

作为优化的技术方案，步骤1中分析设计需求中要求给出物平面的位置和尺寸、成像放大比、光学系统最小口径限制、使用曲面的数量。

作为优化的技术方案，步骤2中所述的建立优化函数是各个像差函数的加权求和，其表达式如下：

Φ＝A₁TSC+A₂SC+(A₃+3A₄)CC+A₅TAC+A₆AC

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

其中Φ为优化目标函数，TSC为横向球差，SC为纵向球差，CC为弧矢慧差，TAC为横向像散，AC为纵向像散，TPC为横向场曲，PC为纵向场曲，DC为畸变，TAchC为横向轴向色差，LchC为纵向轴向色差，TchC为垂轴色差，这些色差均是各个曲面的几何参数的函数，A1至A12为不小于零的加权系数。根据步骤1中的设计需求给出各个加权系数的具体数值。

作为进一步优化的技术方案，步骤2中，如果有其他的限制条件，在(1)式后面添加新的项予以约束。

作为优化的技术方案，步骤3中对(1)式进行计算时运用的是近轴光线几何关系的解析表达式，其步骤是：

步骤(1)：生成一个初始光学构型作为当前构型；

步骤(2)：计算给出初始光学构型的优化目标函数值作为优化目标函数当前值；

步骤(3)：依次对每个曲面的几何参数做随机变动；

步骤(4)：计算随机变动后的优化目标函数值；