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.     

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。     

无球差非球面短程透镜的研究

用光线追迹迭代法和解析法设计无球差非球面波导短程透镜的母线,用单点金刚石超精加工和凹面波导制备工艺,研制成孔径和有效孔径分别为8和6mm的LiNbO3导短程透镜.实验表明,器件在有效孔径内无球差;对4mm宽的输入平面波光束,焦点衍射光斑半宽度为4μm;透镜插入损耗为～1dB.     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

光盘用非球面透镜的设计

关于以单透镜的两面为非球面的光盘用物镜已申请了很多专利。之所以其结构非常简单,还能进行多种多样的设计,取决于非球面有大的象差修正能力,也许由于没有确立以决定球面透镜为基础的理论之缘故吧。为了确定所希望的球面系统,本文以偏差和中心厚为变量导出厚透镜的三级象差系数的     

基于非球面透镜的光分束器设计

 针对目前532 nm波长光的分束技术在光电测控系统（如激光干涉测速）等领域的广泛应用,提出一种光分束器的设计方法,此分束器可将光纤入射的532 nm绿光分成接近等比的多束光（包括一分二、一分三、一分四）。此系统首先用非球面透镜将光纤入射的光束准直,再通过分光片分光后用同样的透镜将光束耦合进光纤,达到了77%的通光效率,附加损耗约1 dB。详细介绍了非球面透镜的设计、分束器的结构、装配及其实验结果,并对实验结果以及研制过程中影响分束器效率的各种因素进行分析。     

条状屏彩色显像管校正透镜设计

用优化法根据模拟的电子束轨迹设计了用于制造条状彩色荧光屏的校正透镜，通过计算机模拟曝光，证明了所设计的校正透镜使着屏偏差得到了充分的校正。     

电场作用下的变焦非球面液滴微透镜

提出了一种制作变焦非球面液滴微透镜并在线检测其光学性能的新方法。在实时进行光学检测的条件下,选择光固化材料,利用电场作用操控液滴透镜的面形实现变焦,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化,可制作具有良好光学成像和聚焦性能的非球面微透镜。研制了紫外光固化非球面液滴微透镜制作平台及在线检测系统,实验观察并讨论了液滴透镜面形和聚焦光斑随电场作用的变化规律,成功实现了液滴透镜的变焦,并获得了良好的非球面面形和聚焦光斑,证明了用此方法制作高成像性能的非球面微透镜的可行性。     

基于非球面柱透镜的激光束整形

提出了一种基于非球面柱透镜的激光束整形系统.该系统采用一组正交放置的非球面柱透镜实现对高斯光束的整形,能够获得较大长宽比、等光强分布的矩形光束输出.理论分析了高斯光束整形原理,由能量守恒定律推导出高斯光束整形系统中任意光线在入射面和出射面的坐标变换关系,使用ZEMAX编程语言编写坐标变换的ZPL宏指令并生成优化函数,设计并优化了整形系统.仿真设计得到了光强均匀度高于95%,能量利用率在90%以上的准矩形光输出.结果表明该方法整形效果理想、计算量小、简单实用.     

无衍射贝塞尔光束非球面透镜设计

提出一种可产生无衍射贝塞尔光束的非球面透镜-贝塞尔透镜,该透镜由球面和非球面组成,呈旋转对称结构。利用光学设计软件ZEMAX通过光线追迹法对贝塞尔透镜进行设计,在设计和优化过程中,将出射光线与光轴的夹角作为边界条件,二次曲线参量和高次项系数作为变量。结果表明:利用标准二次曲线加上第一个高次项就可以得到比较理想的优化结果,设计的非球面贝塞尔透镜可以产生具有贝塞尔光束特性的无衍射光束。

     

非球面眼镜片的像差分析和设计

根据非球面眼镜片的赛德尔 (Seidel)初级像差理论 ,分析讨论了在消像散条件下校正球差、彗差和畸变的可能性 ,指出适当优化镜片的形状因子 ,能够获得畸变低于球面镜片的点焦 (即消像散 )非球面镜片。以± 6 .0m- 1 镜片为例 ,给出了校正畸变、点焦、无拐点非球面镜片的设计方法与结果 ,通过性能评价和比较 ,指出非球面镜片的像差校正情况与初级像差理论的分析结果基本一致     

基于固定校正板和透镜阵列的机载共形窗口像差校正

为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。     

薄膜光学常数的粒子群算法

为解决椭偏法测量薄膜厚度和折射率实验数据处理较为复杂的问题,采用一种新的基于群体智能的优化算法——粒子群算法处理实验数据.以单层吸收薄膜的测量为例,利用该算法进行数据处理.实验结果表明,可以同时获得3个薄膜参数(折射率n,消光系数k和薄膜厚度d),而且在确切参数范围未知情况下,大范围内进行搜索仍然能保证快速收敛到最优解.该算法与遗传算法以及利用椭偏仪数据处理软件得出的结果相比较,计算精度高,收敛速度快.     

二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性分析

为探究二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性,进行了球面和二次曲面有晶体眼人工晶体的设计,并利用像差理论对二者的球差矫正特性进行了研究.基于R.Navarro等人提出的模型眼得到屈光不正眼模型,利用ZEMAX光学软件分别设计了可矫正屈光不正人眼的球面与二次曲面前房型有晶体眼人工晶体.通过对光学传递函数和Zernike球差系数的比较,以及对Seidel球差分布系数的计算分析发现:在保证屈光不正矫正至正常水平的前提下,较之传统球面人工晶体,二次曲面的引入仅对远视眼的球差有矫正作用,并使光学传递函数显著改善|而对近视眼而言,二次曲面人工晶体的球差矫正效果与球面人工晶体相当.这一结论对前房型有晶体眼人工晶体的设计和应用具有重要的理论指导意义.     

基于Bloch球面搜索的量子粒子群优化算法

通过分析量子势阱粒子群优化算法的设计过程,提出一种基于Bloch球面搜索的量子粒子群优化算法.首先用基于Bloch球面描述的量子位描述粒子,用泡利矩阵建立旋转轴,用Delta势阱模型计算旋转角度,用量子位在Bloch球面上的绕轴旋转实现搜索.然后用Hadamard门实现粒子变异,以避免早熟收敛.这种旋转可使当前量子位沿着Bloch球面上的大圆逼近目标量子位,从而可加速优化进程.仿真结果表明,该算法的优化能力优于原算法.     

简洁轻薄手机镜头的光学设计

设计了一款简洁轻薄的手机镜头,使用4片非球面塑料材料和1片红外玻璃滤波片,塑料非球面材料分别是E48R,POLYCRA,折射率和阿贝数分别是1．53、58;1．59、29．9。用ZEMAX软件对镜头进行了优化设计,对优化后的结构进行了分析,设计全视场角和相对孔径分别为67°和1／2．8,系统总长为4mm,焦距3．5mm,后截距为0．5mm,使用1／4inchCMOS作为成像接收器件,全视场MTF值在295lp／mm处接近0．2,畸变小于2％,可应用于超薄手机设计中。     

光量子体系下基于粒子群算法的LED植物照明光源设计

在现代农业生产中,常采用发光二极管(LED)作为植物照明光源对农业作物进行补光,为提高LED植物照明阵列光源的均匀度,本文在光量子体系下,提出一种新的基于粒子群算法的LED植物照明阵列光源设计方法。通过MATLAB对红蓝光LED植物光源阵列进行数学建模,运用粒子群算法寻找高均匀度条件下的红蓝光LED坐标,设计出二维情况下的红蓝光LED排布阵列;在三维情况下,为解决维度升高时可能会导致的求解陷入局部极小问题,采用改进的随机惯性权粒子群算法进行三维方案设计,并使用Tracepro对两种设计方案进行验证,与传统的红蓝光LED等间距逐行排列设计进行了对比。研究结果表明,与常见逐行排列LED阵列设计达到的光量子通量密度(PPFD)均匀度为79.6%相比,通过粒子群算法寻优的设计方法,二维设计方案的PPFD均匀度达到88.7%,较等间距逐行排列设计提高了9.1%;三维设计方案的PPFD均匀度达到92.6%,较二维设计方案提高了3.9%,较等间距逐行排列设计提高了13%。本实验证明了运用粒子群算法在二维和三维空间进行LED植物照明阵列光源设计的可行性,在简易设计流程的同时,提高了工作效率。     

替代旋转非球面的GRIN透镜的理论分析

本文通过对轴向球面GRIN透镜的分析,导出了光线在透镜内部传输的一般方程利用等光程方法导出了轴向GRIN透镜与旋转非球面匀质透镜之间的等效条件。     

粒子群优化算法在自适应偏振模色散补偿中的性能研究

反馈控制算法是偏振模色散的自适应补偿器的关键组成部分,将粒子群优化算法(PSO)引入到偏振模色散自适应补偿系统中。该算法的优点是具有快速收敛到全局最佳值的能力、避免搜索陷入局部极值的能力、抗噪声能力和多自由度控制能力。理论上分析了粒子群优化算法的两个分类———全局邻居结构粒子群优化(GPSO)和局部邻居结构粒子群优化(LPSO)在搜索全局最佳值方面的能力优劣,给出了局部邻居结构粒子群优化算法成功率达100%的三种邻居拓扑结构。实验表明:在补偿一阶偏振模色散时,全局邻居结构和局部邻居结构搜索全局最佳的成功率都能满足要求,全局邻居结构算法收敛速度快。而在补偿二阶偏振模色散时,全局邻居结构成功率降低,而局部邻居结构仍可以满足要求。