[发明专利]一种自由曲面成像系统的设计方法

说明书

本发明提供了一种自由曲面成像系统设计方法，设计过程采用强化学习思路，基于贪心策略自动对于不同设计路径试错，并不断探索更优的设计路径和设计经验，有效降低时间成本和人力参与，不需要预先设计经验，可以总结相关设计经验，自动化、较高效率地完成良好像质自由曲面系统的设计和搜索，并能避免陷入局部最优值。

技术领域

本发明属于光学设计领域，尤其涉及一种自由曲面成像系统的设计方法。

背景技术

自由曲面相对于传统的球面或非球面可为光学设计提供更多的自由度，进而可以大大提升系统成像质量，并可使系统结构更灵活、元件数量更少、体积更小、质量更轻。因此，自由曲面被认为是光学设计领域的一次革命性的发展。但是自由曲面成像系统设计的难度较大。

传统系统的光学设计方法需要首先从专利库或者其他系统中找到初始结构，然后进行后续优化得到设计结果。然而，对于自由曲面成像系统，系统参数可能很高(例如大视场、大孔径)，很难找到系统参数匹配的初始结构。

基于此，目前对于自由曲面成像系统，尤其是系统参数较高的系统，一般采用渐进式的设计方法，即以采用初级简单面型、系统参数较低的系统为起点，在后续的渐进式设计中，不断加入新的变量，并逐步增加系统参数，逐步优化得到最终设计。然而不同设计步骤的不同先后顺序会导致设计结果有差异，并且差异可能很大。由于自由曲面成像系统较为复杂，且研究历史有限，设计经验较为匮乏。如果设计者在缺乏相关设计经验的情况下希望得到良好的设计结果，可能需要进行大量的试错，从而花费大量时间与人力。

尽管目前研究者们针对自由曲面成像系统设计提出了一系列方法，但不能用于总结设计经验并且没有实现设计自动化，且采用这些设计方法容易陷入局部最优值，无法实现全局最优。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种自由曲面成像系统设计方法，能够总结相关设计经验，自动化、较高效率地完成良好像质自由曲面系统的设计和搜索，并能够实现跳出局部最优。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

本发明的一种自由曲面成像系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将设计过程中的每一步得到的系统定义为一个状态，并用矢量si表示，其中，i表示当前状态序号；

根据自由曲面成像系统的设计要求，确定一个设计过程的初始系统；其中，初始系统的基本结构形式和设计要求一致，所述基本结构形式包括光路折叠形式、系统中曲面的数量、自由曲面的数量、自由曲面在系统中的出现顺序、各自由曲面所属的面型种类以及孔径光阑为第几个曲面；

初始化一个空的奖赏表，所述奖赏表用于记录表示设计过程中出现的状态的矢量、每个状态下可能出现的设计动作以及每个动作的状态动作值；

初始化一个贪心概率ε，其中0＜ε＜1；

建立设计过程中使用的约束条件，确定对系统优化使用的误差函数以及优化算法；

定义系统状态的奖赏值的计算方法；其中，奖赏值的大小和每个系统状态的成像质量相关；

定义设计过程的终止状态；所述终止状态是指系统状态已经达到终止条件；

记当前设计回合序号为k，设定最大允许的设计回合数k_max；

此时，当前状态序号i＝1，当前设计回合序号k＝1；

将初始系统定义为设计过程的初始状态sini，作为自由曲面成像系统设计的起点，令s₁＝sⁱⁿⁱ；