长波及中波红外鱼眼镜头的计算机设计

摘要：按Tchebycheff积分方式较量垂轴像差曲线面积，进而竖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想，并将其融合于适应法光学设计法式中，实现两种优化思惟的“复合”；借助这种复合优化能敏捷 改善初始构造，促成鱼眼镜头主动设计过程快速收敛；提出光学主动设计中的虚拟实际手艺和多链节——可轮回的“病态”处理方式；个中虚拟透镜手艺可战胜久禁不止的光线“溢出”、解脱“病态”和求得最简光学构造，虚拟变光阑手艺和“病态” 处理方式可战胜优化过程中的慢收敛、发散、震动或无优化解的难题， 促成快速而不乱地收敛；最后列举了实例。
 
要害词：长波及中波红外鱼眼镜头；较量机光学设计；复合优化；虚拟实际；病态处理

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引言

较量机光学设计(或称光学主动设计)手艺进入实用已有45年，而关于鱼眼镜头的较量机设计却很少有文献商议。至于长波及中波红外鱼眼镜头的较量机设计，迄今未见文字资料的报道。除了保密身分之外，手艺上的难题无疑是主要原因。其余姑且不说，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，给光学主动设计过程增加了强硬的界限约束，造成构造优化的有效空间狭小，显着增大了设计难度。

长波及中波红外鱼眼镜头在工业、医学、公安、国防及军事上有弗成替代的感化]，但只有解决了其较量机设计的难题，它们才能敏捷成长．本文论说个中几个要害手艺，进展对此有所推进。

1. 新型像质指标与“复合优化”

首先竖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. 虚拟透镜手艺

鱼眼镜头优化中频仍显现的光线“溢出”(光线在折射面上全反射或与之无交点，下同)常使主动优化夭折。因为较量机优化是个动态过程，故须主动处理。我们用虚拟透镜手艺连系虚拟光线解决此难题，作法是：

先用插值方式填补溢出光线在像面的落点，以维持持续优化；若经一连两次中轮回仍不克遏制溢出，则在发生溢出处主动虚设一透镜，并令其构造参数介入优化。为包管虚设透镜适应光束走向，我们设计了备选透镜数据库和响应的挪用划定。

跟着优化的进展，光束构造与系统参数逐渐适应，成像质量络续改善，光线溢出将逐渐被消灭。待受控指标都进入容差局限时，再用光焦度转移和像差收缩方式逐渐清退多余的透镜，使系统构造尽量简洁。

例如我们设计的长波红外鱼眼镜头，其初始构造只有3片透镜，优化中最难题时曾用这种虚拟手艺增至9片，接着逐渐清退能够不消者，最后定型为现有最简构造，成为一项发现专利。

这种方式也用于处理优化中的病态。例如，在远离光阑处虚拟一透镜，可显着改变轴外像差，从而调整优化偏向，解脱病态。

值得解说，这种“虚拟透镜”的光焦度符号未必与发生“溢出”的透镜一般，因而不是传统方式的“盘据透镜”。

3. 虚拟可变光阑手艺

在红外鱼眼镜头优化中，我们假定视场光阑巨细可变；而孔径光阑则巨细和位置均可变，其巨细改变意味着成像光束口径转变，位置(跨区间)转变旨在全域寻优j。这种虚拟手艺在以下场合主动实施：①采用光线虚拟和透镜虚拟手艺均不克战胜光线溢出时；②优化过程频频陷入病态而用另外方式均不奏效时。实施时先慢慢缩tJ,~L径光阑口径，待小口径情形的优化完成时再主动扩大光束口径，持续优化；若口径缩至一半时还无显着进展，则逐渐减小视场；待小视场的优化完成时即主动扩大视场，进一步优化。

上述处理的理论依据是：对统一镜头而言，小视场、小口径前提下的优良像质是大视场、大口径情形成像优良的需要前提。

4.多链节——可轮回的“病态”处理手艺 

鱼眼镜头主动优化中频频发生的病态是一浩劫关， 它使优化过程辗转不前。对此，我们采用由以下多链节构成的闭合轮回处理手艺。

 ① 提高线性搜检尺度适应法、阻尼最小二乘法均基于线性假设而求解方程组

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