基于光学构型与像差模型指导的单光子雷达与成像复合光学系统初始结构高效构建及优化方法

《IEEE Photonics Journal》：Initial Structure Construction and Optimized Design Method for Single-Photon LiDAR and Imaging Composite Optical Systems Based on Paraxial Aberration Theory

　　摘要：初始结构的选择在很大程度上影响着单光子雷达与成像复合光学系统的设计与优化。然而，当前方法既无法满足多光路系统中焦距分布的需求，也难以通过像差校正来高效地进行初始结构搜索。本文提出了一种基于工程适用光学构型和高品质轴向成像质量的优质初始结构构建及优化设计方法。该方法推导了反射光路和折反射光路的光焦度分布与近轴像差模型。通过仅使用22次超短迭代的基本遗传优化策略，即可快速获得成像质量优异的优质初始结构，无需复杂算法或大量迭代。将共轴双反系统扩展为共轴三反系统，以验证结构构建方法的可扩展性。通过多目标遗传算法生成帕累托前沿解集，在成像质量与结构约束之间实现最优权衡。基于搜索优化后的初始结构，设计并分析了一种可见光、红外光与单光子雷达共光孔的多光路复合光学系统。本工作可为单光子雷达与成像复合光学系统提供高效可靠的设计起点，并进一步推动光学设计模式从依赖算力进行不可预测优化的模式，向由光学构型和像差模型指导的针对性科学优化模式转变。