长波及中波红外鱼眼镜头的计算机设计

摘要:按Tchebycheff积分方法计算垂轴像差曲线面积,进而建立基于这种面积的像质指标,以模拟阻尼最小二乘法中评价函数的构思,并将其融合于适应法光学设计程序中,实现两种优化思想的“复合”;借助这种复合优化能迅速 改善初始结构,促成鱼眼镜头自动设计过程快速收敛;提出光学自动设计中的虚拟现实技术和多链节——可循环的“病态”处理方法;其中虚拟透镜技术可克服久禁不止的光线“溢出”、摆脱“病态”和求得最简光学结构,虚拟变光阑技术和“病态” 处理方法可克服优化过程中的慢收敛、发散、震荡或无优化解的困难, 促成快速而稳定地收敛;最后列举了实例。

关键词:长波及中波红外鱼眼镜头;计算机光学设计;复合优化;虚拟现实;病态处理

 

引言

计算机光学设计(或称光学自动设计)技术进入实用已有45年,而关于鱼眼镜头的计算机设计却很少有文献讨论。至于长波及中波红外鱼眼镜头的计算机设计,迄今未见文字资料的报道。除了保密因素之外,技术上的困难无疑是重要原因。别的姑且不说,单就长波及中波红外区域可用的光学材料稀少就是一大障碍——它使我们失去了选择光学材料参数的自由,给光学自动设计过程增加了强硬的边界约束,造成结构优化的有效空间狭小,明显增大了设计难度。

 

长波及中波红外鱼眼镜头在工业、医学、公安、国防及军事上有不可替代的作用],但只有解决了其计算机设计的难题,它们才能迅速发展.本文论述其中几个关键技术,希望对此有所推进。

 

1. 新型像质指标与“复合优化”

首先建立一个基于垂轴像差曲线面积的像质指标引,按Tchebycheff积分公式有

 

 

 

 

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2. 虚拟透镜技术

 

鱼眼镜头优化中频繁出现的光线“溢出”(光线在折射面上全反射或与之无交点,下同)常使自动优化夭折。因为计算机优化是个动态过程,故须自动处理。我们用虚拟透镜技术结合虚拟光线解决此难题,作法是:

 

先用插值方法填补溢出光线在像面的落点,以维持继续优化;若经连续两次中循环仍不能遏制溢出,则在发生溢出处自动虚设一透镜,并令其结构参数参与优化。为保证虚设透镜适应光束走向,我们设计了备选透镜数据库和相应的调用规则。

 

随着优化的进展,光束结构与系统参数逐渐适应,成像质量不断改善,光线溢出将逐渐被清除。待受控指标都进入容差范围时,再用光焦度转移和像差收缩方法渐渐清退多余的透镜,使系统结构尽量简单。

 

例如我们设计的长波红外鱼眼镜头,其初始结构只有3片透镜,优化中最困难时曾用这种虚拟技术增至9片,接着逐渐清退可以不用者,最后定型为现有最简结构,成为一项发明专利。

 

这种方法也用于处理优化中的病态。例如,在远离光阑处虚拟一透镜,可明显改变轴外像差,从而调整优化方向,摆脱病态。

 

值得说明,这种“虚拟透镜”的光焦度符号未必与发生“溢出”的透镜一样,因而不是传统方法的“分裂透镜”。

 

3. 虚拟可变光阑技术

 

在红外鱼眼镜头优化中,我们假定视场光阑大小可变;而孔径光阑则大小和位置均可变,其大小改变意味着成像光束口径变化,位置(跨区间)变化旨在全域寻优j。这种虚拟技术在以下场合自动实施:①采用光线虚拟和透镜虚拟技术均不能克服光线溢出时;②优化过程反复陷入病态而用其它方法均不奏效时。实施时先逐步缩tJ,~L径光阑口径,待小口径情况的优化完成时再自动扩大光束口径,继续优化;若口径缩至一半时还无明显进展,则逐渐减小视场;待小视场的优化完成时即自动扩大视场,进一步优化。

 

上述处理的理论依据是:对同一镜头而言,小视场、小口径条件下的优良像质是大视场、大口径情况成像优良的必要条件。

 

4.多链节——可循环的“病态”处理技术

 

鱼眼镜头自动优化中反复发作的病态是一大难关, 它使优化过程辗转不前。对此,我们采用由以下多链节组成的闭合循环处理技术。

 

① 提高线性检查标准适应法、阻尼最小二乘法均基于线性假设而求解方程组

 

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