长波及中波红外鱼眼镜头的计算机设计

    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[1, 2])))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[1],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0

    首先建立一个基于垂轴像差曲线面积的像质指标[3],按Tchebycheff积分公式有

    这是一组新的取样系数:当其用于视场角取样时, t5对应轴上物点,其余对应着不同的轴外物点;用于光束取样时, t5对应于主光线,其余对应于不同高度的光线.

    对轴上物点,按t1~t4抽取样品光线,计算各自的垂轴像差,由式(1)得到综合表现轴上点像质的垂轴像差曲线面积A0.为便于在优化过程引用,将其优化值Ac0用起始值进行规化处理,即成一个代表轴上点像质优化程度的指标

A0=Ac0/A0 . (2)

    同样,对由t1~t4所代表的轴外物点,则分别得到其子午垂轴像差曲线面积At1~At4和弧矢垂轴像差曲线面积As1~As4,取

    则At综合表现轴外子午光束的成像质量.

    同样以其起始值实行规化,得一个代表轴外子午光束像质优化程度的指标

At=Act/At , (4)

    对弧矢光束做类似处理,得

    令主波长的相应像质函数为

Ad=0.25(2A0+At+As),

    类似地计算两辅助波长对应的此函数Aa1、Aa2,取

    即成一个综合代表系统成像质量的新型像质指标,被称为切氏指标.它模仿了阻尼最小二乘法(DLS)中评价函数的构思.将其投入到适应法光学设计程序控制鱼眼系统的优化过程,则使两种优化思想交融,是/复合优化0思想在鱼眼镜头设计中的体现.由于只想简单地把DSL中/间接诱导型0优化思想/嫁接0到适应法的主干上,故A不必非常完备.它的建立采用的取样系数与流行方法不同,意在最大限度地避免其与传统像差的相关性.

    实践证明,它对长波及中波红外鱼眼系统的计算机设计有十分重要的作用.例如: