在定域法中实现光学全局优化

把不等式法用于光学优化设计中,同时使用了“逃逸函数”技术,从而实现了光学系统设计的全局优化在使用逃逸函数时,两个因子H和W的确定是能否“逃逸”优化“陷阱”的关键用这种技术借助于C++开发的程序成功地设计了一些典型的光学系统.     

逃逸函数算法及其在光学设计中的应用

用阻尼最小二乘法进行光学系统的优化 ,得到的结果往往是评价函数在结构变量空间的一个局部极小值。日本东京工艺大学的一色教授提出了能够跳出此局部极小值继续寻找其它结果的逃逸函数全局优化算法 ,该算法的运行由多个不加或加入逃逸函数的阻尼最小二乘法局部优化组成。描述了逃逸函数的基本原理 ,给出了北京理工大学研制的GOLD软件在加入了这种算法后对光学系统进行全局优化的设计实例。实验证明了逃逸函数算法是提高光学设计效率和质量的一种有效工具。     

复杂光学系统的全局优化

逃逸函数法是目前最为实用的光学系统全局优化算法之一。这种全局优化的运行由多个不加或加入逃逸函数的阻尼最小二乘法局部优化组成。探讨了提高其优化效率的方法,提出了两个搜索机制以便提高各个局部优化的效率。首先搜索最佳阻尼因子,从而确定多维结构变量空间中解向量的最优方向;再沿该方向搜索解向量的最优长度。此外,用实验方法确定了逃逸函数的控制参数的最佳缺省值。在此基础上成功地研制了实用化的复杂光学系统全局优化程序。     

混入逃逸函数的实数编码遗传算法优化光学系统

为了得到超多参量光学系统的最佳设计,将标准遗传算法的二进制编码改为实数编码以提高算法的鲁棒性和计算效率,并在评价函数中混入逃逸函数避免优化过程陷入局部极值.用改进后的遗传算法和CODE V对鱼眼镜头光学系统和折反射全景成像系统的设计案例进行光学参量优化,并应用Zemax对两种优化结果进行光线追迹成像模拟.计算结果表明,应用改进遗传算法比混入逃逸函数的遗传算法或CODE V软件优化所得到光学系统的成像质量有明显提高,在优化超多参量光学系统时具有较为理想的鲁棒性和计算效率.     

应用粒子群算法进行光学自动设计

将粒子群算法用于光学系统的设计优化中,构造相应的数学模型,并编程实现算法.设计了关于曲率半径r、透镜面之间的距离d和玻璃折射率n等光学系统结构参数的适应度函数,用此函数作为评价函数实现对像差的自动校正.给出用粒子群算法进行光学系统设计的实例.结果证明,粒子群算法可以克服以往光学设计中高度依赖初始结构的缺点,可以自由控制结构参数的搜索范围,从而提高光学系统设计的智能化程度.     

基于Wassermann-Wolf方程的共形光学系统设计研究

提出了基于多项式拟合Wassermann-Wolf曲面设计共形光学系统的设计方法，并给出了完整的设计结果.共形光学系统要求导弹整流罩具有流线型几何外观以减少空气阻力，其次考虑导引头的光学系统设计，所以共形整流罩引入的像差通常高达几十甚至一百个波长量级，为导引头光学系统的设计带来了极大的困难.通过多项式拟合Wassermann-Wolf曲面提供共形光学系统初始结构，建立Zernike多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数，克服了用传统光学设计方法设计共形光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题，实现了共形光学系统的设计.设计结果表明，系统的调制传递函数在整个目标视场范围内达到了衍射极限.     

基因算法在光学系统优化中的应用

将基因算法植物于光学系统的优化中，构造了相应的数学模型，并编程实现了算法，实验证明基因算法可以克服以往优化算法不能自动增减光学面（元件）的缺点，从而提高了光学系统设计的智能化程度。     

鱼眼镜头光学系统的非球面优化设计

应用非球面提高光学系统成像质量是镜头设计的常用手段。基于平面对称光学系统的波像差理论,通过分析鱼眼镜头各光学面的波像差贡献,将波像差贡献突出的光学面作为应用非球面的待选对象,结合波像差随非球面系数的变化趋势,确定应用非球面的光学面;应用优化算法和基于光线点列图分布定义的评价函数优化鱼眼镜头系统。通过对一个鱼眼镜头实例进行非球面优化,其点列图范围从全球面优化设计时的200 μm下降到100 μm,其评价函数值下降1个数量级,证明该方法能明显提高镜头的成像质量,对如何有效应用非球面优化鱼眼镜头的光学系统具有借鉴意义。     

基于调制传递函数相似度的波前编码系统优化技术

定义了调制传递函数相似度作为优化波前编码系统的评价函数,并在光学设计过程中通过引入数学软件实现了波前编码系统的快速优化。在优化过程中,通过引入数学软件与光学设计软件的动态数据交换接口实现了优化函数的快速计算和高速数据交换,并通过采用遗传算法加快了评价函数收敛速度。经过优化系统调制传递函数相似度由原来的0.0187降为0.0119,且调制传递函数幅值均高于0.18,处于设定的范围内。研究结果表明动态数据交换和外部程序的引入可以进一步提高具有特殊性质的非常规光学系统优化效率。     

用粒子群算法校正三片镜系统的像差（特邀）

提出将粒子群算法用于三片镜光学系统的优化设计。设计了关于曲率半径、透镜面之间的距离、玻璃折射率、系统长度等光学系统结构参数的光学评价函数,用此函数作为粒子群算法中的适应度函数,实现了对光学系统的自动寻优。给出了用粒子群算法进行三片镜光学系统设计过程实例,结果证明：用粒子群算法可以设计出球差、子午场曲、子午光线弥散值都很小的三片镜光学系统;并且用该算法进行光学设计不需要知道系统具体的初始结构,克服了现有光学设计软件高度依赖具体初始结构的缺点,可以自由控制结构参数的搜索范围,从而提高光学系统设计的智能化程度。     

Lens Design: An Attempt to Use ‘Escape Function’ as a Tool in Global Optimization

In designing lenses with the damped least squares method, the solution obtained by optimization routine is a local minimum of the merit function. To get out of this and seek a different solution, we propose to use an ‘escape function’ as an additional operand of the lens system, to be controlled. Experiments were made on simple models of merit function and the advantage of this technique was ascertained. We also planted this algorithm into OSLO SIX (lens design software by Sinclair Optics) by means of CCL (C-compatible language) and applied it to actual lens design. Experiments convinced us that the method would be an effective tool for global optimization.     

基于集成分析法的光机热一体化设计

光机热一体化设计是改进空间光学仪器设计,优化系统总体设计参数的重要方法。集成分析法对设计方案综合性能的动态评估是一体化设计的核心,通过分析系统热光学性能,指导修改设计参数,实现系统光/机/热同步设计。以某空间光学仪器主镜系统的热控设计为例,介绍了这种方法在实际工程中的应用。     

Lens Design: Global Optimization with Escape Function

The technique of using the ‘escape function’ for global optimization in lens design is described. This includes how to identify two solutions as independent; the threshold value for this criterion can be chosen to determine how to explore local solutions—rough or fine. Choice of appropriate values for two parameters in the escape function is most important, since this will affect the efficiency of the automatic global optimization process. There are two problems, i.e. giving default values at the beginning of the design, and determining a default rule to change them when the escape is unsuccessful. The latter was solved by assuming a ‘saddle path’ as the best route to escape. An exact solution for the former was not found, but a hint for finding a second best solution is shown based on the statistical study of local minima.     

利用CODE V设计含有自由曲面的光学系统

由于自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，使光学系统的结构得到了简化，像质得到了提高。本文通过设计实例详细介绍了在光学设计软件CODE V中运用用户自定义面型UDS（user defined surface）的功能和计算机动态链接库DLL(dynamic link library)软件技术设计含有自由曲面光学系统的方法。通过利用此方法设计了球面和锥面光学系统，验证了其准确性和可靠性。并且利用此项技术设计了含有自由曲面的光学系统，使光学系统达到了质量轻、体积小的设计目标。此项技术扩充了CODE V软件的功能，有效地拓宽了CODE V计算复杂面型的能力。     

Particle swarm optimization applied to automatic lens design

This paper describes a novel application of Particle Swarm Optimization (PSO) technique to lens design. A mathematical model is constructed, and merit functions in an optical system are employed as fitness functions, which combined radiuses of curvature, thicknesses among lens surfaces and refractive indices regarding an optical system. By using this function, the aberration correction is carried out. A design example using PSO is given. Results show that PSO as optical design tools is practical and powerful, and this method is no longer dependent on the lens initial structure and can arbitrarily create search ranges of structural parameters of a lens system, which is an important step towards automatic design with artificial intelligence.     

Dynamic steering beams for efficient force measurement in optical manipulation

An efficient and inexpensive method that uses a glass plate mounted onto a motorized rotating stage as a beam-steering device for the generation of dynamic optical traps is reported.Force analysis reveals that there are drag and trapping forces imposed on the bead in the opposite directions,respectively,in a viscous medium.The trapped bead will be rotated following the beam’s motion before it reaches the critical escape velocity when the drag force is equal to the optical trapping force.The equilibrium condition facilitates the experimental measurement of the drag force with potential extensions to the determination of the viscosity of the medium or the refractive index of the bead.The proposed technique can easily be integrated into conventional optical microscopic systems with minimum modifications.