[发明专利]基于光线跟踪的紧凑型全景环带头部单元设计方法及系统

说明书

本发明提供了基于光线跟踪的紧凑型全景环带头部单元设计方法及系统，包括以下步骤：S1：根据已有的全景环带系统参数，获取全景环带系统的紧凑度指标；S2：将已获取的多组紧凑度指标作为特征值，构建代价函数并利用多元梯度下降算法循环至收敛，采集多组不同梯度的特征值；S3：根据全景环带头部单元的结构以及入射光线的分布，构建光线跟踪模型；S4：将S2中采集到的多组特征值输入光线跟踪模型并验证。本发明能够根据多元梯度下降算法，获取特征值组，使全景环带头部单元达到需要的紧凑度，还能够利用光线追踪模型，对特征值组进行验证，从而保证了该特征值组参数能够达到全景环带光线传播的要求，为紧凑型全景环带头部单元的设计提供了新的思路。

技术领域

本发明属于光学系统技术领域，具体涉及基于光线跟踪的紧凑型全景环带头部单元设计方法。

背景技术

全景环带是一种折反射全景系统，主要由头部的全景环形透镜以及中继镜组构成。其原理是通过平面圆柱投影法，将三维空间的像成在一个环形区域内，使得360度成像成为了现实。作为全景环带的头部单元，全景环形透镜是实现全景成像的关键元件。

然而，全景环形透镜为了实现360度成像，利用了折射和反射原理，使得入射光线在透镜内部与光轴产生大角度，从而使全景环带的头部口径要远大于中继镜组的口径，进而会造成全景环带整体结构上不紧凑的问题。

发明内容

本方案采用多参数的梯度下降算法，能够确定使全景环带头部单元紧凑度值最低的紧凑度指标组合，并结合光线追踪模型进行指标验证，从而能够解决上述技术问题。

本发明具体的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了基于光线跟踪的紧凑型全景环带头部单元设计方法，包括以下步骤：

S1：根据已有的全景环带系统参数，获取全景环带系统的紧凑度指标；

S2：将已获取的多组紧凑度指标作为特征值，构建代价函数并利用多元梯度下降算法循环至收敛，采集多组不同梯度的特征值；

S3：根据全景环带头部单元的结构以及入射光线的分布，构建光线跟踪模型；

S4：将S2中采集到的多组特征值输入光线跟踪模型，选取能够满足入射光线的分布特征值组，并计算选取的每一组特征值所对应的紧凑度，将紧凑度最低的特征值组作为最佳的全景环带头部单元设计方案。

在一些实施例中，所述步骤S1包括：

S11：根据全景环带头部单元结构，定义全景环带系统的紧凑度计算公式：

其中，K表示全景环带系统的紧凑度，D表示全景环带头部单元的最大口径，L表示像面的对角线长度；

S12：根据紧凑度计算公式，获取全景环带系统的紧凑度指标，包括：第一透射表面曲率半径、第一反射表面曲率半径以及透镜厚度。

在一些实施例中，所述S2包括：

S21：将多组第一透射表面曲率半径、第一反射表面曲率半径以及透镜厚度值作为特征值，构建目标函数：

h_θ(x)＝θ₀x₀+θ₁x₁+θ₂x₂+θ₃x₃；

其中，h_θ(x)表示目标函数，x₀＝1，x₁、x₂、x₃分别表示每一组第一透射表面曲率半径、第一反射表面曲率半径以及透镜厚度值的向量表示，θ₀-θ₃表示回归系数；