智能优化算法在光学CAD系统中的应用
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摘要
智能优化算法通过模拟某些自然现象或过程的机理而得到了广泛地发展，本文针对光学CAD系统中目前正研究的热门课题提出了新的观点，重点研究了智能优化算法在光学系统设计中的应用。
首先，由于现有的光学系统结构设计的优化算法都是在选定了初始光学结构的基础上，只对光学结构参数进行优化选择，在优化过程中不能够自动改变光学面数，导致光学系统设计的智能化程度还不是很高，采用遗传算法，实现了光学面的自动增减；
其次，区别于传统的二元光学设计方法，为避免其量化台阶数过大导致的成本及加工复杂度的增加，提出了运用混合优化策略遗传-模拟退火算法直接设计二元光学元件的新的计算机方法。
最后，通过构造数学模型和编程实现了算法，由优化的效果和效率分析来证实智能优化算法是提高光学系统设计智能化程度的有效工具。
Intelligent optimization algorithms get to broad development by imitating or announcing to some natural phenomenas or processes.This paper brings up the new standpoint aiming at the optics CAD system's popular lesson,and makes a particular study of Intelligent optimization algorithms' application in the optical system design.
First,the current optical system construction's optimization algorithms are based on the just optical system's preliminary construction which designers have selected. Optical system program can not automatically change the optical elements'nember.So that optical system design's intelligentized degree is not high.Now this paper applies the genetic algorithms to lens design and shows that the genetic algorithms can effectively work in automatically changing the optical elements'nember.
Next, this pape present a new computer design method that applies the genetic-simulated annealing algorithms to directly design the binary optical element. This method avoids the high cost and facture' complexity and is different of the conventional design method.
At last, we implement these algorithms by structuring the mathematic model and programming. We show that the effectiveness of Intelligent optimization algorithms in increasing the optical system design's intelligentized degree by analyzing the algorithms' effect and efficiency.
首先，由于现有的光学系统结构设计的优化算法都是在选定了初始光学结构的基础上，只对光学结构参数进行优化选择，在优化过程中不能够自动改变光学面数，导致光学系统设计的智能化程度还不是很高，采用遗传算法，实现了光学面的自动增减；
其次，区别于传统的二元光学设计方法，为避免其量化台阶数过大导致的成本及加工复杂度的增加，提出了运用混合优化策略遗传-模拟退火算法直接设计二元光学元件的新的计算机方法。
最后，通过构造数学模型和编程实现了算法，由优化的效果和效率分析来证实智能优化算法是提高光学系统设计智能化程度的有效工具。
Intelligent optimization algorithms get to broad development by imitating or announcing to some natural phenomenas or processes.This paper brings up the new standpoint aiming at the optics CAD system's popular lesson,and makes a particular study of Intelligent optimization algorithms' application in the optical system design.
First,the current optical system construction's optimization algorithms are based on the just optical system's preliminary construction which designers have selected. Optical system program can not automatically change the optical elements'nember.So that optical system design's intelligentized degree is not high.Now this paper applies the genetic algorithms to lens design and shows that the genetic algorithms can effectively work in automatically changing the optical elements'nember.
Next, this pape present a new computer design method that applies the genetic-simulated annealing algorithms to directly design the binary optical element. This method avoids the high cost and facture' complexity and is different of the conventional design method.
At last, we implement these algorithms by structuring the mathematic model and programming. We show that the effectiveness of Intelligent optimization algorithms in increasing the optical system design's intelligentized degree by analyzing the algorithms' effect and efficiency.
引文
1 毛钧杰，何建国编著．实用光学设计方法与现代光学系统．长沙：国防科技大学出版社，1998年9月
2 刘缠牢，熊仁生，张耀明，齐峰．光学仪器结构设计的CAD系统．光予学报．1999，28(6)：562～565
3 王凌．智能优化算法及其应用．北京：清华大学出版社，2001年10月
4 南京大学数学系计算数学专业编．光学系统自动设计中的数值方法．北京：国防工业出版社，1976年5月
5 王涌天，何定，张思炯．GOLD—新一代复杂光学系统分析优化软件包．光电工程．1997，24(3)：42～48
6 程雪岷，王光宇，张丽琴，王涌天，王琦．变焦距镜头初始结构智能化设计方法．计算物理．2002，19(6)：521～526
7 尹霄丽，余重秀．改进的模拟退火算法设计二元光学阵列器件．光电子·激光．2001，12(2)：154～157
8 羊国光．用于衍射光学元件优化设计的遗传算法及其与模拟退火算法的比较．光学学报．1993，13(7)：577～584
9 A. Vasara, M.R, Taghizadeh, J.Turunen, et. al.,Binary surface-Relief Gratings for Array Illumination in Digital Optics. Opt.,1992,31(17):3320～3336
10 桑涛，翁志成．二元光学的优化设计．光学精密工程．1996，4(5)：67～74
11 邬敏贤等．二元光学理论与基础技术研究．光电子·激光．1997，8(5)：411
12 王永仲编著．新光学系统的计算机设计．长沙：国防科技大学出版社，1993年10月
13 Isshiki M, Ono H, Hiraga K et al.. Lens design:Global optimization with escape function. Opt. Rev.,1995,2(6):463～470
14 王涌天，程雪岷，刘慧兰，郝群．复杂光学系统的全局优化．光学学报．2001，21(7)：835～840
15 李涛，付绍军，王炜，徐俊中，李永平．一种用于均匀照明的衍射光学元件设计的混合方法．计算物理．2002，19(1)：77～80
16 樊仲维．光束系统中的二元光学元件．光学精密工程．1995，3(2)：1～9
17 包红春等．二元光学元件波面变形器件的研究．光学学报，1994，14(9)：988～991
18 Nirwan Ansari Edwin Hou著，李军，边肇棋译．用于最优化的计算智能．北京：清华大学出版社，1999年12月
19 何献忠，李萍等著，优化技术及其应用(第二版)．北京：北京理工大学出版社，1995年2月
20 Chelouah R, Siarry P. Tabu search applied to global optimation. European Journal of Operational Research, 2000,123:256～270
21 邢文训，谢金星．现代优化计算方法．北京：清华大学出版社，1999
22 Nirwan Ansari, Edwin Hou, Computational Intelligence for Optimization. Kluwer Academic Publishers, 1997
23 Matthew Wall, GAlib:a C++ Library of Genetic Algorithm Components version 2.4 Mechanical Engineering Department, MIT, 1996
24 Betensky, E. Postmodern lens design. Optical Engineering, 1993,32(8):1750～1756
25 Chen Xiaogang, Yamamoto K. An experiment in genetic optimization in lens design. J. Modern optics, 1997,44(9):1693～1702
26 姚新，陈国良．模拟退火算法及其应用．计算机研究与发展．1990，7：1～6
27 Forbes G, Jones A. Towards global optimization with adaptive simulated annealing. Proc. SPIE, 1990,1354:144～153
28 Yang G G. Optimal design of high efficiency optical interconnection system with a simulated annealing algorithm. Third International Conference on Holographic Systems, Components, Edinburgh, UK, Sept. 1991:45～49
29 樊叔维，张兴志．全局优化算法自适应模拟退火-遗传算法的研究．光学精密工程．1999，7(4)：16～20
30 王永仲．不共轴光学系统自动优化中的有关问题．应用光学．1993，14(5)：22～24
31 Wang Y, Hopkins H H. Ray-tracing and aberration formulae for a general optical system. J. Mod. Opt.,1992,39(9):1897～1938
32 Dams M P, Dowling R J, et al. Efficient optical elements to generate intensity weighted sport arrays :design and fabrication. Appl Opt, 1991,30(19):2685～2691
33 杨国桢等．衍射光学元件的设计新方法．激光与光电子学进展．1995，(4)：48～53
34 陈岩松．二元衍射光学[J]．量子电子学．1996，13(3)：193～200
35 L L Doskolovich, et al. Direct 2D Calculation of Quantized DOEs on the basic of a
Continuous Series approach. J. Mod. Opt, 1997, 44(4) :685～695
36 高惠德，李琦，董蕴华等．高斯光束转换成厚环形光束的二元光学元件的研究．光电子·激光．1998，9(3)：184～186
2 刘缠牢，熊仁生，张耀明，齐峰．光学仪器结构设计的CAD系统．光予学报．1999，28(6)：562～565
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5 王涌天，何定，张思炯．GOLD—新一代复杂光学系统分析优化软件包．光电工程．1997，24(3)：42～48
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7 尹霄丽，余重秀．改进的模拟退火算法设计二元光学阵列器件．光电子·激光．2001，12(2)：154～157
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13 Isshiki M, Ono H, Hiraga K et al.. Lens design:Global optimization with escape function. Opt. Rev.,1995,2(6):463～470
14 王涌天，程雪岷，刘慧兰，郝群．复杂光学系统的全局优化．光学学报．2001，21(7)：835～840
15 李涛，付绍军，王炜，徐俊中，李永平．一种用于均匀照明的衍射光学元件设计的混合方法．计算物理．2002，19(1)：77～80
16 樊仲维．光束系统中的二元光学元件．光学精密工程．1995，3(2)：1～9
17 包红春等．二元光学元件波面变形器件的研究．光学学报，1994，14(9)：988～991
18 Nirwan Ansari Edwin Hou著，李军，边肇棋译．用于最优化的计算智能．北京：清华大学出版社，1999年12月
19 何献忠，李萍等著，优化技术及其应用(第二版)．北京：北京理工大学出版社，1995年2月
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21 邢文训，谢金星．现代优化计算方法．北京：清华大学出版社，1999
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31 Wang Y, Hopkins H H. Ray-tracing and aberration formulae for a general optical system. J. Mod. Opt.,1992,39(9):1897～1938
32 Dams M P, Dowling R J, et al. Efficient optical elements to generate intensity weighted sport arrays :design and fabrication. Appl Opt, 1991,30(19):2685～2691
33 杨国桢等．衍射光学元件的设计新方法．激光与光电子学进展．1995，(4)：48～53
34 陈岩松．二元衍射光学[J]．量子电子学．1996，13(3)：193～200
35 L L Doskolovich, et al. Direct 2D Calculation of Quantized DOEs on the basic of a
Continuous Series approach. J. Mod. Opt, 1997, 44(4) :685～695
36 高惠德，李琦，董蕴华等．高斯光束转换成厚环形光束的二元光学元件的研究．光电子·激光．1998，9(3)：184～186