基于粒子群算法的光学自动设计软件

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1、编码：山东省第三届大学生物理科技创新大赛研究报告作品名称：基于粒子群算法的光学设计软件学校全称：申报者姓名：指导教师：类别：□实验方法研究（A类）□自制实验教学仪器（B类）□物理量智能化测量（C类）□实验模拟与仿真（D类）√□实用创新（E类）10基于粒子群算法的光学自动设计软件摘要：阻尼最小二乘法只能进行局部寻优，利用这种算法进行光学设计，只能够寻找到局部最优解，且得到的最终结构的优劣过分取决于原始结构。为了克服上述缺点，将全局优化的粒子群算法引入到光学设计中来。并使用MatlabGUI工具编制基于粒子群算法的光学自动设计软件。本软件仅需要结构

2、参数的变化范围就可以进行自动设计，从而得到达到光学要求的镜头结构。对于已知的光学系统，本软件亦可对其进行像质评价，比如绘制各种像差曲线，点列图，直接输出各类几何像差值等。本软件还可对镜头进行二维、三维的光线追迹。据实验，经过Zmax软件优化后的光学结构，通过此款软件可以得到进一步优化，实现精细搜索。关键词:　光学设计;粒子群算法;MatlabGUI;1引言光学CAD发展数十年，国内外都开发了一些功能齐全或有一定特色、具有较大用户群体的成熟软件包。但是商业实际应用中，一直都是国外软件垄断，像美国ORA（OpticalResearchAssocia

3、tes）公司研制的CODEV、FocusSoftware公司研制的ZEMAX等。设计一款优异的具有自己光学设计特色自动校正软件，拥有自己的知识产权，这是我们一直的奋斗的目标。不仅如此，传统的光学设计软件广泛采用的是阻尼最小二乘法[1]，而这种方法设计出来的系统结构一般都是评价函数在结构变量空间的局部最优解。除此之外，这种设计过分依赖于原始结构，如果原始结构选择不合适，很有可能达不到优化设计的目的。这就要求设计者要有非常丰富的经验，而这种经验在短时间内很难积累。鉴于此，业界也需要一款对原始结构要求宽松，并能设计出全局最优系统的光学设计软件。粒子群

4、优化(ParticleSwarmOptimization,PSO)算法[2]是Kennedy和Eberhart受人工生命研究结果的启发、通过模拟鸟群觅食过程中的迁徙和群聚行为而提出的一种群体智能的全局随机搜索算法，它将群体(swarm)中的个体看作是在D维搜索空间中没有质量和体积的粒子(particle)，每个粒子以一定的速度在解空间运动，并向自身历史最佳位置Pbest和历史最佳位置Gbest聚集，实现对候选解的进化。PSO算法具有很好的生物社会背景而易理解、参数少而易实现,对非线性、多峰问题均具有较强的全局搜索能力,在科学研究与工程实践中得到

5、了广泛关注。尽管基本粒子群算法存在着早熟收敛的问题，但它在多维空间函数寻优、动态目标寻优方面有着收敛速度快、解质量高、鲁棒性好等优点，并且经过改进的粒子群算法[3-5]在全局搜索方面也表现出极优的性能。鉴于光学设计[6]及全局优化的复杂性和粒子群算法对于全局优化的优越性，本研究把粒子群优化算法引入到光学系统的自动设计中。由粒子群算法建立数学模型，将被优化的每个光学系统结构看作一个粒子，每个粒子的位置和速度根据某些条件随机初始化生成，粒子位置矢量维数和速度矢量维数N由系统结构参数变量决定。通过粒子位置范围的设定，既可以进行全局优化也可以进行局部优

6、化，既可以寻找系统的初始结构也可以搜索原系统的精细结构，这个可以在与Zmax软件的比较中得以验证。本软件的设计不但拥有独特设计理念，而且还能在不依靠原始结构的基础上找到最优解，在实际应用中拥有重大意义。101软件介绍1.1数据分类本软件的设计思想是利用变化的结构范围找出全局优化的系统结构，所以，它所生成的数据主要有两类。一类是原始结构范围数据，另一类就是设计出的具体系统结构数据。打开软件，弹出的主界面是请用户输入各个结构参数允许范围，比如说入瞳大小、焦距长短、改进粒子群算法迭代次数以及每个镜面半径，厚度变化范围等。为了方便用户以后查看以前所用的

7、原始数据范围从而通过更新范围继续寻求更优解，本软件特将此结构变化范围数据保存为“.od”类型文件。设计好各个结构的变化范围后，再选择各级待校正的像差，最后开始校正。从而得到最优的结构。本软件会将此最终优化得到系统结构保存为“.ood”类型文件，以和第一类数据区相区别。1.2用户界面及基本操作：和大多数基于Windows的应用程序一样，该软件的主界面也是由标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏等组成。图1是该软件的主界面，包括主窗口Optical_Optimum_Design和a_design编辑输入窗口。编辑输入窗口、文本窗口和图形窗口是该软件最常用的

8、三种用户界面。光学系统设计的主要操作都是在这三个界面中进行，工具栏中提供了一些常用命令快捷方式，菜单里包括了所有操作命令。下面对这几部分分别作详细介绍