一种光学优化设计中快速优化玻璃材料的方法

本发明属于光学系统设计，具体涉及一种光学优化设计中快速优化玻璃材料的方法。

背景技术：

1、折射率是指单色光从真空射入玻璃时，入射角γ的正弦与折射角β的正弦之比是波长的函数。

2、n＝sinγ/sinβ

3、色散系数(阿贝数)常用来表征玻璃的“中部色散”，阿贝数越大，色散越小

4、

5、相对部分色散：复消色差镜头设计中常需要考虑相对部分色散，在两种色光的色差消除后，相对于第三色光的剩余色差(二级光谱)成为主要色差。

6、根据阿贝公式，大多数“正常玻璃”满足如下线性关系：

7、px,y＝mx,y·νd+bx,y

8、式中，νd和px,y分别为横、纵坐标变量mx,y为斜率，bx,y为截距。

9、对于二级光谱的校正，至少需要一个“非正常玻璃”，即偏离阿贝直线公式的p′x,y。其偏离量可用δp′x,y表示。例如，δpg,f定量表示了“非正常玻璃”的特殊色散与阿贝直线的偏离特性。

10、

11、δpg,f＝pg,f-0.6457+0.001703·νd

12、传统光学系统设计，从理想光学公式计算出发，计算系统初始结构，再由像差理论计算光学结构系统，并由光线追迹对高级像差进行估算和补偿。在光学镜头优化设计过程中，曲率半径r和厚度t作为连续变量，用阻尼最小二乘法，在评价函数的约束下，求得评价函数的极小值，即局部最优解。除了曲率半径和厚度以外，玻璃材料也是重要的优化变量，当光学系统像差不满足设计要求时，常需要更换玻璃或玻璃组合。

13、光学设计在经历多年的发展，光学设计师们设计出各种不同类型、不同参数的透镜系统，并经历投产和使用，验证达到指标要求。近代光学系统设计中，光学设计人员通常会根据设计指标，查找接近指标的镜头设计程序，并在该程序基础上进行局部优化调整达到最优解，这种用于参考的镜头多来自于书籍手册或光学镜头专利。近年来极高折射率、中偏低色散zlaf玻璃研制成功，为光学设计中玻璃材料的选择提供更多的选择。在使用以往专利或案例作为参考设计时，优化系统玻璃材料，常能够实现镜头成像质量的进一步提升。

14、光学玻璃的主要参数折射率nd和阿贝数vd间隔较大，属于离散变量，不适用于阻尼最小二乘法。光学设计软件zemax的锤形优化(hammer optimization)可实现玻璃优化替换的功能，但其算法过程没有公开。

15、光学设计过程中玻璃材料的选择是一个复杂困难的过程，光学玻璃属于离散变量，不同类型光学系统应采用什么类型的玻璃，补偿不同像差应更换什么类型的玻璃，这些过程虽然有色散公式提供初步估算，但计算过程复杂，对光学设计经验要求颇高。

16、在采用zemax进行玻璃优化设计时，通常在基于初始结构完成系统初步设计后，将玻璃设置为“替换”，全局优化中的锤优化(hammer optimization)往往需要很长的时间，系统才能收敛达到一个较低的评价函数结果。但优化结果并不总满足要求，此时需要进一步更换不同的初始结构重新进行优化设计。此时，又要重复评价函数设置和hammer换玻璃优化过程。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光学优化设计中快速优化玻璃材料的方法。本发明主要是针对曲率半径、厚度间隔和玻璃材料等参数的优化。其中玻璃材料的主要参数为折射率、阿贝数和相对部分色散偏离值。

2、本发明为同时优化连续变量和离散变量时的快速下降路径方法。本发明将离散的材料变量通过边界约束作为准连续变量进行优化；优化时并不总将所有材料作为变量，而通过生成伪随机数的方式，决定当轮参与优化材料。

3、本发明的技术方案为：

4、一种光学优化设计中快速优化玻璃材料的方法，其步骤包括：

5、1)根据玻璃库中各玻璃的折射率、阿贝数参数和相对部分色散偏离值dpg,f，生成光学玻璃的nd-vd-dpg,f空间，并确定该nd-vd-dpg,f空间的边界曲面；

6、2)根据光学系统的指标要求，设置一评价函数；记录优化前该光学系统的评价函数值m.f.(n)；

7、3)根据该光学系统中参与优化的玻璃材料数量，产生一组1/0的伪随机数，伪随机数与待优化的材料一一对应；伪随机数为1表示对应的材料作为本轮优化的变量，伪随机数为0表示对应的材料不参与本轮优化；

8、4)读取参与优化的玻璃材料的折射率nd、阿贝数vd和相对色散偏离值dpg,f作为连续变量，将所述连续变量与该光学系统中其他参数通过阻尼最小二乘法进行优化；

9、5)读取所述玻璃库中各玻璃的参数，根据优化得到的玻璃参数判断最接近的玻璃材料，并将优化得到的参数替换为玻璃库中对应玻璃材料的实际玻璃参数；

10、6)将该光学系统对应的系统模型中玻璃参数逐个替换为材料库中对应的实际玻璃参数；

11、替换次序随机产生；每进行一次替换后，对更新后的系统模型进行一次阻尼最小二乘法优化；当完成全部替换并优化后，记录此时更新后的光学系统的评价函数值m.f.(n+1)；

12、7)比较m.f.(n)和m.f.(n+1)，当优化后的m.f.(n+1)比优化开始前m.f.(n)值大，则放弃当前的系统模型参数；否则保留当前的系统模型参数，返回步骤3)并产生一组新的1/0伪随机数；

13、8)重复步骤3)～7)，每次重复时步骤3)产生一组新的1/0伪随机数、步骤6)产生一组新的替换次序；当达到设定次数时，从保留的系统模型参数中选取当前最优的系统模型参数输出。

14、进一步的，所述边界曲面的确定方法：读取参与优化的玻璃库中各玻璃的折射率、阿贝数和相对部分色散偏离值参数；根据nd-vd-dpg,f空间的三维坐标系下的散点分布，拟合若干个边界函数曲面。

15、进一步的，最接近的玻璃判定方法：计算未匹配玻璃与所述玻璃库中每一玻璃之间的距离根据距离d确定每一未匹配玻璃的替换品；其中，ndm、vdm、δpg,fm为该系统模型中未匹配玻璃的折射率、阿贝数和相对部分色散偏离值；ndg、vdg、δpg,fg为所述玻璃库中玻璃的折射率、阿贝数和相对部分色散偏离值；wn、wv、wp为折射率、阿贝数和相对部分色散偏离值对应的权重。

16、进一步的，用于计算所述评价函数中的信息包括焦距、对透镜厚度的约束量、点列图或波前的rms值、ptv值。

17、一种服务器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行上述方法中各步骤的指令。

18、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

19、本发明的优点如下：

20、对设计者的设计经验要求低，不需要了解各光学玻璃材料的性能，即可通过替换玻璃，提高光学系统设计指标；

21、通过阻尼最小二乘法求导即可优化离散变量，得到更合适的玻璃组合。

22、可将该模型替换方法中的阻尼最小二乘法替换为其他优化算法，如正交下降法、适应法，以及全局优化算法中的模拟退火、全局搜索、变尺度法和加入逃逸函数的阻尼最小二乘法等。

23、玻璃边界判定方法：除了拟合若干个边界曲面以外，还可以在三维空间划分合适密度的网格，通过判断立方格内是否存在玻璃，判断该空间三维网格是否属于优化区间。