用于优化光学和数字系统设计的系统和方法技术方案

一种优化光学和／或数字系统设计的系统、方法和软件产品。生成所述光学系统设计的光学模型。生成所述数字系统设计的数字模型。分析光学模型和数字模型的模拟输出以产生分数。处理所述分数以确定所述模拟输出是否实现了一个或多个目标。如果未实现所述目标，则修改至少所述光学模型和所述数字模型之一的一个或多个属性。重复分析、处理和修改步骤，直到实现所述目标为止，以及根据所述光学模型和所述数字模型，生成优化的光学系统设计和优化的数字系统设计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求于2003年12月1日提交的、题为“设计具有波前编码光学成像系统”的第60/526,216号美国临时申请的优先权，并将其全部内容通过引用而并入本文。
技术介绍
光电系统经常包含多种光学、电子以及机械元件；这些元件有时构成单独的子系统。例如，诸如数字蜂窝式照相手机的光电系统包括构成光学子系统的光学元件(例如，镜头元件)和构成数字子系统的电子元件(例如，信号处理器)。这些子系统合作以例如捕获光学图像并产生数字图片。设计光电系统以实现一种或多种预期的目的可能是一项困难的任务。为了实现设计目标，经常会过设计(over-designed)所述光电系统，从而增加了设计过程的成本和开发时间。另外，当光电系统既包括光学子系统又包括数字子系统时，通常单独设计和优化这些子系统。典型地，例如，首先选择和优化光学子系统的方案，然后基于光学子系统的输出来单独设计信号处理子系统。在开发前述现有技术的光电系统时，可以采用商业上可获得的软件设计包。例如，利用Zemax开发公司的Zemax软件或光学研究协会的CODE-V软件来设计和优化所述光学子系统。利用例如Math Works公司的MATLAB或定制的C/C++代码来设计数字子系统。
技术实现思路
在一个实施例中，软件产品具有存储在计算机可读介质上的指令，其中，当该指令被计算机执行时，该指令执行用于优化光学系统设计和数字系统设计的步骤。所述软件产品包括用于模拟光学系统设计的光学模型的指令、用于模拟数字系统设计的数字模型的指令、用于分析光学模型的模拟输出和数字模型的模拟输出以产生分数的指令、以及用于基于该分数来修改所述光学模型和数字模型的指令。在另一个实施例中，软件产品具有存储在计算机可读介质上的指令，其中，当计算机执行该指令时，该指令执行用于优化具有波前编码的光学系统设计的步骤。所述软件产品包括用于模拟光学系统设计的光学模型的指令、用于分析光学模型的模拟输出以产生分数的指令、以及用于基于该分数来修改光学模型的指令(包括在所述光学模型内实现相位改变光学器件)。在另一个实施例中，一种方法优化了光学和数字系统的设计。光学系统设计的光学模型被生成。数字系统设计的数字模型被生成。对模拟的光学模型和数字模型的输出进行分析以产生分数。对该分数进行处理以确定模拟输出是否达到了一个或多个目标。如果未达到目标，则修改至少所述光学模型和数字模型之一的一个或多个属性。分析、处理和修改步骤被重复，直到达到目标为止，并且根据所述光学模型和数字模型来生成优化的光学系统设计和优化的数字系统设计。在另一个实施例中，一种系统优化了光学和数字系统的设计。所述系统具有光学系统设计的光学模型、数字系统设计的数字模型、用于模拟所述光学模型的光学模拟器、用于模拟所述数字模型的数字模拟器、用于分析光学模型和数字模型的模拟输出以产生分数的分析器、以及用于基于该分数来修改所述光学模型和数字模型的优化器。附图说明图1示出了用于优化光学系统设计的一个示例性的系统实施例；图2示出了用于优化光学系统设计和数字系统设计的一个示例性的系统实施例；图3图示了组件的工作区操作；图4示出了利用组件来优化光学系统设计和数字系统设计的一个示例性的系统实施例；图5示出了用于优化具有相位改变光学器件的光学系统设计的一个示例性的系统实施例；图6是图解说明用于具有相位改变光学器件的数字系统模型和光学系统模型的一个示例性的过程实施例的流程图；图7是图解说明用于具有相位改变光学器件的数字系统模型和光学系统模型的一个示例性的过程实施例的流程图；图8是图解说明根据一个实施例的光学系统设计和数字系统设计的并行优化的示意图；图9是图解说明根据一个实施例的光学系统设计和数字系统设计的分布式优化的示意图；图10图解说明了用于优化根据一个实施例的光学和数字系统设计的组件之间的示例性的关系；图11示出了根据一个实施例的图10的关系的示例性的细节；图12是图解说明增透系统的一种示例性的设计方法学的操作图；图13示出了图解说明在一个实施例中的一种设计优化系统的操作的计算机屏幕显示；图14示出了图13的设计优化系统的操作之后的计算机屏幕显示；图15示出了用于红外自导头的一种示例性的光学系统设计；图16示出了根据不具有波前编码的图15的光学系统设计确定的示例性的光点曲线图；图17示出了探测器位于不具有波前编码的图15的光学系统设计的最佳焦点的情况下，对于图像平面中切矢场点和弧矢场点的一个示例性多色衍射MTF；图18示出了探测器与不具有波前编码的图15的光学系统设计的最佳焦点距离为-100μm的情况下，对于图像平面中切矢场点和弧矢场点的一个示例性的多色衍射MTF；图19示出了探测器与不具有波前编码的图15的光学系统设计的最佳焦点距离为+100μm的情况下，对于图像平面中切矢场点和弧矢场点的一个示例性的多色衍射MTF；图20示出了对于不具有波前编码的图15的光学系统设计、以及对于探测器的±100μm位移的示例性PSF； 图21示出了根据具有优化的波前编码的图15的光学系统设计确定的示例性光点曲线图；图22示出了探测器位于具有优化的波前编码的图15的光学系统设计的最佳焦点的情况下，对于图像平面中切矢场点和弧矢场点的一个示例性的多色衍射MTF；图23示出了探测器与具有优化的波前编码的图15的光学系统设计的最佳焦点距离为-100μm的情况下，对于图像平面中切矢场点和弧矢场点的一个示例性的多色衍射MTF；图24示出了探测器与具有优化的波前编码的图15的光学系统设计的最佳焦点距离为+100μm的情况下，对于图像平面中切矢场点和弧矢场点的一个示例性的多色衍射MTF；图25示出了对于具有优化的波前编码的图15的光学系统设计、以及对于探测器的±100μm的位移的示例性PSF。具体实施例方式下面描述的光学系统设计包括一个或多个光学设计对象(例如，镜头、镜面)，在制造所述对象时，其修改对象的电磁辐射的波前。所述波前限定了来自于对象的单个点的电磁辐射的恒定相位区域。例如，电磁辐射可以具有可见光范围内的波长，或者可以包含其他的光谱，例如，无线电频率、微波、红外线、紫外线、x射线以及宇宙射线范围。光学系统设计可以指定使波前聚焦于焦平面的光学成像系统，以使物体成像于焦平面。然后可以采用焦平面阵列(例如，CCD，CMOS或微辐射计阵列)或定位于焦平面的探测器来捕获图像。然后，与焦平面耦合的电子装置(例如，计算机)可以对捕获的图像进行数字处理以生成最终图像。因而，光学成像系统、焦平面阵列以及电子装置可以构成光电系统。焦平面阵列和电子装置的结合可以包括集成电路，现场可编程门阵列(FPGA)，数字信号处理器(DSP)和/或台式计算机中的软件，因而，由焦平面阵列和电子装置进行的数字处理在本文中有时被称为“数字系统”。数字系统设计可以描述数字系统的数字处理。像用于光刻应用中的光致抗蚀剂材料一样，对电磁辐射敏感的材料可以定位于焦平面，而不是焦平面阵列或探测器。根据应用，在焦平面内的其他的示例性的探测器可以包括光学观察器或视网膜。因此，光学和/或数字系统设计也可以指定不同类型的探测器或材料。光学和/或数字系统设计可以可选地指定“基于任务”的光学-数字系统，例如，计算机输出或用于人类可视化、机器视觉或处理、条形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软件产品，包括存储在计算机可读介质上的指令，其中，当所述指令被计算机执行时，所述指令执行用于优化光学系统设计和数字系统设计的步骤，所述指令包括：用于模拟光学系统设计的光学模型的指令；用于模拟数字系统设计的数字模型的指令； 用于分析模拟的光学模型的输出和模拟的数字模型的输出以产生分数的指令；以及用于基于所述分数来修改所述光学模型和数字模型的指令。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：小爱德华雷蒙德道斯基，格雷戈里E约翰逊，肯尼思斯科特库贝拉，肯尼斯阿什利梅肯，戈兰M劳克，
申请(专利权)人：CDM光学有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]