JP3330274B2 - Optimization method in automatic design - Google Patents
Optimization method in automatic designInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はレンズ系の自動設計
において、所望するレンズ系の所定の複数の特性が各々
所定の目標値に近づくように、該レンズ系を構成する構
成要素の変数値を最適化する自動設計における最適化方
法に関し、詳しくは、準ニュートン法を用いて上記所定
の目標値に最近接した点における上記構成要素の変数値
を求める方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an automatic design of a lens system, in which variable values of constituent elements constituting the lens system are adjusted so that a plurality of predetermined characteristics of a desired lens system each approach a predetermined target value. More specifically, the present invention relates to a method for obtaining a variable value of the component at a point closest to the predetermined target value by using a quasi-Newton method.
【0002】[0002]
【従来の技術】レンズ設計とは、基本的には、変数値の
異なる複数のレンズ系の性能評価を行い、それらの結果
を総合して最適な変数値を推定し、次第に光束の結像状
態を良好としていく作業であるといえる。2. Description of the Related Art Lens design is basically to evaluate the performance of a plurality of lens systems having different variable values, to estimate the optimal variable values based on the results of the evaluation, and to gradually determine the image forming state of the luminous flux. It can be said that this is an operation to improve
【0003】ところで、コンピュータを用いたレンズ系
の自動設計では、現在の結像状態を表わす各特性値fi
とそれらの目標値ti に基づき、By the way, in the automatic design of a lens system using a computer, each characteristic value f i representing the current imaging state is used.
And their target values t i ,
【数3】 の最小点を求めるという定式化をしている。上式のφは
メリット函数(merit function)と称され、wiは各収
差の相対的重要度を示す荷重(常に正)である。(Equation 3) Is formulated to find the minimum point of. Φ in the above equation is called a merit function, and w i is a load (always positive) indicating the relative importance of each aberration.
【0004】また、上記変数(以下パラメタと称する)
は、レンズ系の構成要素を定める変数のことで、例えば
屈折面の中心曲率,面間隔,ガラスの種類,その他があ
る。また、上記特性は一般的にはターゲットとも称さ
れ、レンズ系の構成から計算される特性のことで、例え
ば、近軸追跡値,光線追跡値,形状,その他がある。自
動設計では、このようなパラメタが存在するパラメタ空
間から、このようなターゲットが存在するターゲット空
間への写像を取り扱うことになる。The above variables (hereinafter referred to as parameters)
Is a variable that determines the components of the lens system, and includes, for example, the center curvature of the refractive surface, the surface interval, the type of glass, and the like. The above characteristics are also generally referred to as targets, and are characteristics calculated from the configuration of the lens system, and include, for example, paraxial trace values, ray trace values, shapes, and the like. In the automatic design, a mapping from a parameter space in which such parameters exist to a target space in which such targets exist is handled.
【0005】結局、自動設計の最終目的は、ターゲット
の値fi と目標値ti の近接度を示す上記メリット函数
φの値をなるべく小さくするパラメタ(x1 ,x2 ,
…,xm )を求めることにあるといえる。[0005] Finally, the last object of automatic design parameters that minimize the value of the merit function φ indicating the proximity of the values f i and the target value t i of the target (x 1, x 2,
.., X m ).
【0006】このメリット函数φは、上記各特性値fi
が一般に非線形性を有しているため、単純な最小二乗法
では解けず、この点において自動設計の難しさがある。
ところで、従来、上述したメリット関数の極小点に対応
する各パラメタx1 ,x2 ,…,xm を求めていく手法
として、準ニュートン法を用いたものが知られている。The merit function φ is determined by the above characteristic values f i
Is generally non-linear and cannot be solved by a simple least squares method, and in this respect there is difficulty in automatic design.
By the way, conventionally, a method using the quasi-Newton method is known as a method of obtaining the parameters x 1 , x 2 ,..., X m corresponding to the minimum points of the merit function described above.
【0007】以下、この準ニュートン法の概要を図7の
フローチャートを用いて説明する。まず、パラメタ空間
内の1点を初期値とすべく、所定の初期行列Hを設定す
る(S1)。この行列Hは最小点の周辺でのメリット函
数φの振舞を推定し得る性質を有し、推定逆行列と称す
る。Hereinafter, an outline of the quasi-Newton method will be described with reference to a flowchart of FIG. First, a predetermined initial matrix H is set to set one point in the parameter space as an initial value (S1). This matrix H has the property of estimating the behavior of the merit function φ around the minimum point, and is referred to as an estimated inverse matrix.
【0008】次に、Next,
【数4】 を計算する(S2)。なお、∇(ベクトル∇;以下同
じ)fi は現在位置xでのfi の傾きである。ただし∇
fi は現在位置xの近傍の代表点での値で近似すること
が可能である。(Equation 4) Is calculated (S2). Note that ∇ (vector ∇; the same applies hereinafter) f i is the inclination of f i at the current position x. However, ∇
f i can be approximated by a value at a representative point near the current position x.
【0009】次に、探索の現在位置x(ベクトルx;以
下同じ)でのメリット函数φの傾きg(ベクトルg;以
下同じ)から最小点が存在するであろう方向dを、Next, from the gradient g (vector g; the same applies hereinafter) of the merit function φ at the current search position x (vector x; the same applies hereinafter), the direction d in which the minimum point will exist is calculated as follows:
【数5】 で求める。次に、1次元空間{x+λd|λは実数}で
のメリット函数φの最小点x′(ベクトルx′;以下同
じ)を求める。なお、これを1次元探索と称する(S
3)。(Equation 5) Ask for. Next, the minimum point x '(vector x'; the same applies hereinafter) of the merit function φ in the one-dimensional space {x + λd | λ is a real number} is obtained. This is called a one-dimensional search (S
3).
【0010】次に、x′でのメリット函数φの傾きg′
(ベクトルg′;以下同じ)の値を計算し(S4)、こ
の傾きg′の値が0(極小点)であるか否かを判断し
(S5)、その値が0であれば最適化処理を終了し、一
方、その値が0でなければこの傾きg′の値に応じてH
をH′に修正し(S6)、メリット函数φの振舞がより
適切に反映されるようにする。Next, the gradient g 'of the merit function φ at x'
(Vector g '; the same applies hereinafter) is calculated (S4), and it is determined whether or not the value of the gradient g' is 0 (minimum point) (S5). If the value is 0, optimization is performed If the value is not 0, H is determined according to the value of the gradient g '.
Is corrected to H ′ (S6) so that the behavior of the merit function φ is more appropriately reflected.
【0011】この後、再びステップS3に戻り、最小点
の方向を、Thereafter, the flow returns to step S3, and the direction of the minimum point is
【数6】 により求め、上記ステップS3〜6の処理を繰り返す。(Equation 6) , And the processing of steps S3 to S6 is repeated.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記手法に
おいては、上記ステップS3の処理でメリット函数φの
最小点x′を1次元探索で求める際に、比較のために複
数のサンプル点の値を各々算出しなければならない。従
来は、その時のターゲットの値fi (i=1,…,n)を
実際の光線追跡により求めていたので、コンピュータを
用いた計算処理とはいえ、必ずしも短時間で最適な解が
得られているとはいえなかった。In the above method, when the minimum point x 'of the merit function φ is obtained by the one-dimensional search in the process of step S3, the values of a plurality of sample points are compared for comparison. Each must be calculated. Conventionally, the target value f i (i = 1,..., N) at that time has been obtained by actual ray tracing. Therefore, although it is a calculation process using a computer, an optimum solution can always be obtained in a short time. I could not say that.
【0013】本発明はこのような事情に鑑みなされたも
ので、準ニュートン法を用いて各ターゲットの目標値に
対応した各パラメタ値を求める際に、計算の効率化を図
り、最適化処理の加速化を図り得る自動設計における最
適化方法を提供することを目的とするものである。The present invention has been made in view of such circumstances, and when obtaining each parameter value corresponding to a target value of each target using the quasi-Newton method, the efficiency of calculation is improved and optimization processing is performed. It is an object of the present invention to provide an optimization method in automatic design that can be accelerated.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明の自動設計におけ
る最適化方法は、レンズ系の設計を行なう際に、該レン
ズ系の複数個の特性が所定の目標値となるように、該レ
ンズ系の構成要素の複数個の変数値を準ニュートン法を
用いて最適化する自動設計における最適化方法におい
て、前記準ニュートン法を用いて最適化処理を行なう過
程で、前記複数個の変数値を線形近似による1次元探索
手法により求める処理操作、および推定逆行列を更新す
る処理操作を繰り返し実行することを特徴とするもので
ある。また、前記2つの処理操作を、前記特性の実際の
値に基づき前記変数値を求める処理操作の間もしくは前
に実行することが望ましい。According to the present invention, there is provided an optimization method in an automatic design, wherein a lens system is designed such that a plurality of characteristics of the lens system have predetermined target values when designing the lens system. In an optimization method in automatic design for optimizing a plurality of variable values of constituent elements using a quasi-Newton method, in the step of performing an optimization process using the quasi-Newton method, the plurality of It is characterized by repeatedly executing a processing operation obtained by a one-dimensional search method by approximation and a processing operation of updating an estimated inverse matrix. Preferably, the two processing operations are performed during or before a processing operation for obtaining the variable value based on an actual value of the characteristic.
【0015】また、前記線形近似による1次元探索は、
前記複数個の特性値を、The one-dimensional search by the linear approximation is as follows:
The plurality of characteristic values,
【数7】 により求められる値で近似して行なうようにすることが
望ましい。(Equation 7) It is desirable to perform the approximation with the value obtained by the following.
【0016】また、前記推定逆行列を更新する処理操作
は、前記特性の現在値と前記所定の目標値との近接度を
表すメリット函数の傾きを示すベクトルgの値に応じ
て、該メリット関数の極小点の付近での該メリット函数
の振舞を推定した行列(推定逆行列)Hを更新する処理
操作とすることが可能である。Further, the processing operation for updating the estimated inverse matrix includes the merit function according to a value of a vector g indicating a gradient of a merit function indicating a proximity between a current value of the characteristic and the predetermined target value. Can be a processing operation for updating a matrix (estimated inverse matrix) H that estimates the behavior of the merit function near the minimum point of.
【0017】さらに、前記所定の目標値に対する最近接
点が存在する方向を示すベクトルdは、Further, a vector d indicating the direction in which the closest point to the predetermined target value exists is:
【数8】 で表すことが可能である。(Equation 8) Can be represented by
【0018】また、前記変数値を線形近似による1次元
探索手法により求める処理操作、および前記行列Hを更
新する処理操作を所定回繰り返して行い、この結果、探
索の現在位置がベクトルxからベクトルx′に変化し、
前記行列がHからH′に更新されたとすると、探索の現
在位置を該ベクトルxに戻し、該行列をH′としたま
ま、前記変数値を実際の特性値に基づき求めることが望
ましい。Further, the processing operation for obtaining the variable values by a one-dimensional search method based on linear approximation and the processing operation for updating the matrix H are repeated a predetermined number of times. As a result, the current position of the search is changed from the vector x to the vector x ’
If the matrix is updated from H to H ', it is desirable to return the current position of the search to the vector x, and obtain the variable value based on the actual characteristic value while keeping the matrix at H'.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を用いて説明する。図3は、本発明の一実施例に係る
方法において、対象となるレンズ系モデルの一例を示す
概略図である。すなわち、この方法では、共通光軸X上
に配された4枚のレンズL1 〜L4 からなる図3に示す
如きレンズ系の各パラメタを調整して、各ターゲット
(特性)が所望の目標値に近づくように最適化処理を行
うものである。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a lens system model to be used in the method according to one embodiment of the present invention. That is, in this method, each parameter of the lens system as shown in FIG. 3 including four lenses L 1 to L 4 arranged on the common optical axis X is adjusted, and each target (characteristic) is set to a desired target. The optimization process is performed so as to approach the value.
【0020】そして、上記パラメタの多変数函数で表さ
れたターゲット空間において所定の座標値(f1 ,
f2 ,…,fn )を有する現在位置F(ベクトルF;以
下同じ)と、該ターゲット空間内で所定の座標値(t
1 ,t2 ,…,tn )を有する目標位置T(ベクトル
T;以下同じ)との近接度(重みづけをしたターゲット
空間内の距離)は下記メリット函数φで表される。Then, in the target space represented by the multivariable function of the above parameter, predetermined coordinate values (f 1 ,
f 2 ,..., f n ) and a predetermined coordinate value (t) in the target space.
The proximity (distance in the weighted target space) with the target position T (vector T; the same applies hereinafter) having 1 , t 2 ,..., T n ) is represented by the following merit function φ.
【0021】[0021]
【数9】 (Equation 9)
【0022】なお、上記wi は各ターゲットにおける上
記ウエイトの値を示す。したがって、ターゲット空間内
の現在位置Fを目標位置Tに近づけるためには、上記メ
リット函数φの値を最小値とするようなパラメタx1 ,
x2 ,x3 ,…,xmを設定していくことになる。Note that w i represents the value of the weight in each target. Therefore, in order to bring the current position F in the target space closer to the target position T, the parameters x 1 ,
x 2 , x 3 ,..., x m are set.
【0023】本実施例において、扱われるパラメタとし
ては図3に示す如き各レンズL1 〜L4 のレンズ面曲率
半径R1 〜R7 (7個)、レンズ厚(およびレンズ面間
隔)D1 〜D6 (6個)、屈折率N1 〜N4 (4個)お
よびアッベ数ν1 〜ν4 (4個)があり、またターゲッ
トとしては光線追跡値から得られる焦点距離(1個)
(図3中では主平面(破線)と焦点位置Pの距離Afと
して表されている)、光線追跡から得られる横収差(1
6個)、像面湾曲(4個)、球面収差(2個)、倍率色
収差(10個)、軸上色収差(4個)がある。In this embodiment, the parameters to be handled are the lens surface curvature radii R 1 to R 7 (seven), the lens thickness (and the lens surface interval) D 1 of each of the lenses L 1 to L 4 as shown in FIG. to D 6 (6 pieces), the refractive index N 1 to N 4 (4 pieces) and Abbe number ν 1 ~ν 4 (4 pieces) may also focal length (1) obtained from the ray tracing value as the target
(In FIG. 3, it is represented as a distance Af between the principal plane (broken line) and the focal position P), and the lateral aberration (1
6), field curvature (4), spherical aberration (2), lateral chromatic aberration (10), and axial chromatic aberration (4).
【0024】また、各収差についてターゲットが複数個
存在するのは、入射高の所定値毎に設定されているため
で、ターゲットは焦点距離を含めて全部で37個とされ
ている。なお、パラメタは全部で21個とされている。
このパラメタの構成およびターゲットの構成は下記表1
に記載されている。The reason why there are a plurality of targets for each aberration is that the targets are set for each predetermined value of the incident height, and the total number of targets including the focal length is 37. The total number of parameters is 21.
Table 1 below shows the configuration of this parameter and the configuration of the target.
It is described in.
【0025】また、この表1中に各ターゲットの種類に
ついてのウエイトの値が記載されているが、これは後述
するメリット函数φを考慮する際に必要となる各ターゲ
ットの相対的重要度を示す荷重である。さらに、この表
1中で目標とは各ターゲットにおける目標値を示すもの
であり、各収差は0に、焦点距離は50mmに各々目標
値が設定される。The values of the weights for each type of target are described in Table 1. These values indicate the relative importance of each target required when considering a merit function φ described later. It is a load. Further, in Table 1, the term "target" indicates a target value for each target. The target values are set to 0 for each aberration and 50 mm for the focal length.
【0026】[0026]
【表1】 パラメタの構成 種 類 個数 曲 率 7 面間隔 6 屈折率 4 分 散 4 ターゲットの構成 種 類 個数 ウエイト 目標 横収差 16 5 0 像面湾曲 4 1 0 球面収差 2 1 0 倍率色収差 10 5 0 軸上色収差 4 5 0 焦点距離 1 0.3 50[Table 1] Parameter configuration type Number curvature 7 Surface spacing 6 Refractive index 4 Dispersion 4 Target configuration type Number Weight Target lateral aberration 16 550 Field curvature 4 10 Spherical aberration 2 10 Magnification chromatic aberration 10 5 0 On-axis chromatic aberration 4 5 0 Focal length 1 0.3 50
【0027】ところで、上記メリット函数φが現在位置
から目標値までの近接度(距離)を表すものであるた
め、メリット函数φが最も減る方向に進めばその先に最
適点があるのではないかと考えられるが実際にはそのよ
うにはならない。このことを、例えば、図6に示す如
き、メリット函数φの等高面の2次元モデルを考え、初
期値として設定した現在位置Joからメリット函数φの
最小値が存在する点T′を、一般の準ニュートン法を用
いて求める場合について説明する。By the way, since the merit function φ represents the proximity (distance) from the current position to the target value, if the merit function φ proceeds in the direction in which it decreases most, there may be an optimum point ahead. It is possible, but not really. Considering this, for example, as shown in FIG. 6, considering a two-dimensional model of the contour surface of the merit function φ, the point T ′ where the minimum value of the merit function φ exists from the current position Jo set as the initial value is generally The case of obtaining using the quasi-Newton method will be described.
【0028】まず、現在位置Joにおいて、実際のメリ
ット函数φの等高面1に関する情報がないのであるか
ら、この位置Joを通る円を疑似等高面と考え、この円
の法線方向gを探索方向とする。推定逆行列Hは単位行
列の定数倍に設定する。次に、上記dの方向の直線上
(1次元空間内)において複数のサンプル点を選択し、
これらの各点において実際に光線追跡をし、それらの点
におけるメリット函数φの値を求める。First, since there is no information on the contour surface 1 of the actual merit function φ at the current position Jo, a circle passing through this position Jo is considered as a pseudo contour surface, and the normal direction g of this circle is Search direction. The estimated inverse matrix H is set to a constant multiple of the unit matrix. Next, a plurality of sample points are selected on the straight line in the direction d (in a one-dimensional space),
Ray tracing is actually performed at each of these points, and the value of the merit function φ at those points is obtained.
【0029】この直線上において、J1の位置における
メリット関数φの値が、他のベクトルP1,ベクトルP2,
ベクトルP3,ベクトルP4の各位置におけるメリット関
数φの値よりも小さいとすると、J1がこの直線上の最
小位置(極小点)となり、次には、この位置J1を現在
位置とし、推定逆行列HはH′に更新し、先程と同様に
して、最小位置T′の方向d′をOn this straight line, the value of the merit function φ at the position of J 1 is determined by the other vectors P 1 , P 2 ,
Vector P 3, when smaller than the value of the merit function φ at each position vector P 4, J 1 minimum position on the straight line (minimum point), and in turn, to the position J 1 and the current position, The estimated inverse matrix H is updated to H ', and the direction d' of the minimum position T 'is
【数10】 で求める。(Equation 10) Ask for.
【0030】そして、このd′の方向の直線上における
複数のサンプル点についてメリット函数φの値を計算
し、そのうちの最小値となる位置(極小点)を現在位置
に変更し、推定逆行列H′をさらに更新する。しかしな
がら、上記操作においては、一直線上で複数のサンプル
点を選択し、その各点についてメリット函数φの値を求
めることになるが、このメリット函数φの値を求めるた
めに各ターゲット値(レンズ性能)を算出する操作は極
めて時間を要するものとなる。Then, the value of the merit function φ is calculated for a plurality of sample points on the straight line in the direction of d ′, and the position of the minimum value (the minimum point) is changed to the current position, and the estimated inverse matrix H is calculated. 'Is further updated. However, in the above operation, a plurality of sample points are selected on a straight line, and the value of the merit function φ is obtained for each point. In order to obtain the value of the merit function φ, each target value (lens performance Is extremely time-consuming.
【0031】そこで、本実施例では、選択すべきサンプ
ル点の合計数を減少させる為に、上述した探索手法によ
る1次元探索を繰り返して行う間に、線形近似による1
次元探索の手法を取り入れるようにしている。Therefore, in the present embodiment, in order to reduce the total number of sample points to be selected, one-dimensional search by the above-described search method is repeatedly performed while linear approximation is performed.
The method of dimension search is adopted.
【0032】このことを、図2を用いて概念的に説明す
る。現在位置Joから出発し、線形近似による探索をし
ないで実際の収差による探索をする場合には、探索方向
は第1近似等高面(1点鎖線)の中心方向である方向1
となるのに対し、本実施例の如く、線形近似よる探索を
してから実際の収差による探索をする場合には、探索方
向は、実際の等高面(実線)の形状に近い第2近似等高
面(2点鎖線)の中心方向である方向2となる。すなわ
ち、本実施例においては、探索方向を、従来技術の如く
方向1とするのではなく、メリット函数φの最小値が存
在する方向と近い方向2とすることにより、最適点に到
達するまでの時間を短くすることができる。This will be conceptually described with reference to FIG. When starting from the current position Jo and searching by actual aberrations without searching by linear approximation, the search direction is the direction 1 which is the center direction of the first approximate contour surface (dashed line).
On the other hand, in the case of performing the search by the linear approximation and then performing the search by the actual aberration as in the present embodiment, the search direction is the second approximation close to the shape of the actual contour plane (solid line). The direction 2 is the center direction of the contour plane (two-dot chain line). That is, in the present embodiment, the search direction is not the direction 1 as in the prior art, but the direction 2 close to the direction in which the minimum value of the merit function φ exists. Time can be shortened.
【0033】以下、この線形近似による1次元探索を含
む本実施例の探索手法を、図1に示すフローチャートを
用いて説明する。なお、前述したように、1次元探索で
は複数のサンプル点x+λdでメリット函数φの値を求
める。この時ターゲットの値をレンズ系の構成から計算
するかわりに近似値fi +(∇fi )T λdを使う。こ
れを線形近似による1次元探索と称する。Hereinafter, the search method of this embodiment including the one-dimensional search by the linear approximation will be described with reference to the flowchart shown in FIG. As described above, in the one-dimensional search, the value of the merit function φ is obtained at a plurality of sample points x + λd. At this time, an approximate value f i + (か ら f i ) T λd is used instead of calculating the target value from the configuration of the lens system. This is called a one-dimensional search by linear approximation.
【0034】まず、探索の現在位置をJoとし推定逆行
列の初期値Hを設定する(S1)。推定逆行列の初期値
HはFirst, the current position of the search is set to Jo, and an initial value H of the estimated inverse matrix is set (S1). The initial value H of the estimated inverse matrix is
【数11】 とする。ここでIは単位行列である。[Equation 11] And Here, I is a unit matrix.
【0035】次に、この探索の現在位置Joを所定のデ
ータ格納領域に記憶しておく(S2)。次に、前述した
近似式をfi +(∇fi )T λdなる式として線形近似
による1次元探索を行う(S3)。次に、上記推定逆行
列Hを以下の式により更新する(S4)。Next, the current position Jo of this search is stored in a predetermined data storage area (S2). Next, a one-dimensional search by linear approximation is performed using the above-described approximate expression as an expression of f i + (∇f i ) T λd (S3). Next, the estimated inverse matrix H is updated by the following equation (S4).
【0036】[0036]
【数12】 (Equation 12)
【0037】この後、線形近似による1次元探索(S
3)と推定逆行列の更新(S4)をp回繰り返す(p≧
0)(S5)。なお、線形近似による1次元探索の繰り
返し回数pは予め設定された所定の回数としたり、移動
距離が所定の値以上となった時点で繰り返し操作を打ち
切るようにする。結果として、探索後の現在位置J1で
はメリット函数φの値は必ずしも小さくないが、H′は
Hよりもメリット函数φの振舞を適切に反映することに
なる。そして線形近似による1次元探索のための計算時
間は正確なターゲットの値を求めるための計算時間に比
べてはるかに短い。Thereafter, a one-dimensional search (S
3) and updating of the estimated inverse matrix (S4) are repeated p times (p ≧
0) (S5). The number of repetitions p of the one-dimensional search by the linear approximation is set to a predetermined number of times set in advance, or the repetition operation is terminated when the moving distance becomes equal to or more than a predetermined value. As a result, the value of the merit function φ is not necessarily small at the current position J 1 after the search, but H ′ appropriately reflects the behavior of the merit function φ more than H. The calculation time for a one-dimensional search by linear approximation is much shorter than the calculation time for finding an accurate target value.
【0038】この後、探索の現在位置をJoに戻し(S
6)、推定逆行列はH′を使って正確なターゲットの値
による1次元探索(S7)と推定逆行列の更新(S9)
を行なう。以後、上記線形近似による1次元探索処理
(S2)〜(S5)と上記正確なターゲットによる1次
元探索処理(S6)〜(S9)を繰り返す。Thereafter, the current position of the search is returned to Jo (S
6), the estimated inverse matrix is one-dimensional search using the correct target value using H '(S7), and the estimated inverse matrix is updated (S9).
Perform Thereafter, the one-dimensional search processing (S2) to (S5) by the linear approximation and the one-dimensional search processing (S6) to (S9) by the accurate target are repeated.
【0039】また、上記ステップS7で求められた位置
におけるメリット函数φの傾きgが0となり、該メリッ
ト関数φの値が極小点となっていれば、そのときのパラ
メタ空間上での位置xが解となり最適化処理は終了する
(S8)。なお、上記繰り返し回数pは毎回同じでなく
てもよい。このように、上記方法では最適化処理に準ニ
ュートン法を用い、しかもその処理中に線形近似による
1次元探索処理および推定逆行列の更新処理をはさみ込
むことを最大の特徴としている。If the gradient g of the merit function φ at the position obtained in step S7 is 0 and the value of the merit function φ is a minimum point, the position x in the parameter space at that time is The solution becomes a solution and the optimization process ends (S8). The number of repetitions p may not be the same every time. As described above, the most characteristic of the above method is that the quasi-Newton method is used for the optimization processing, and that the one-dimensional search processing by linear approximation and the update processing of the estimated inverse matrix are interposed in the processing.
【0040】図4は、本実施例および従来技術により、
前述したレンズ系の自動設計を行う場合の最適化処理に
要する計算時間を示すグラフである。なお、ここでの従
来技術とは、準ニュートン法を用い、線形近似による1
次元探索は用いない最適化処理のことである。また、本
処理において、図1のステップS5のループ回数pは一
律に4に設定されている。この図4に示されるように、
本実施例と従来技術の両方とも、ステップ数の増加に伴
って最小値に近づいていくが、最小値に到達するまでの
時間は、互いに大きく相違し、従来技術における計算時
間はt2であり、本実施例における計算時間はこのt2の
1/6程度以下のt1と大幅に小さくなっている。FIG. 4 shows the present embodiment and the prior art.
It is a graph which shows the calculation time required for the optimization process when performing the above-mentioned automatic design of a lens system. Here, the prior art here refers to the one based on linear approximation using the quasi-Newton method.
This is an optimization process that does not use dimension search. In this process, the number of loops p in step S5 in FIG. 1 is uniformly set to 4. As shown in FIG.
Both the present embodiment and the prior art approach the minimum value as the number of steps increases, but the time to reach the minimum value is greatly different from each other, and the calculation time in the prior art is t 2 . The calculation time in this embodiment is significantly shorter than t 1, which is about 6 of t 2 or less.
【0041】なお、以下に、上記実施例方法を実施する
ための情報処理装置を図5のブロック図を用いて簡単に
説明する。すなわち、この情報処理装置は、計算機本体
11と周辺装置12を通信路13で接続している。計算
機本体12は、装置各部の動作および各部間において送
受される各種信号を制御する制御装置14と各種データ
を演算する演算装置15とを含む中央処理装置16、さ
らにはこの中央処理装置16の実行プログラムやデータ
等が格納された主記憶装置17を備えている。また、周
辺装置12はファイル装置18および入出力装置19に
分類される。なお図5中で、太い矢印はデータの流れを
示すものであり、点線の矢印は部材間における観測と制
御の関係を示すものである。An information processing apparatus for implementing the method of the above embodiment will be briefly described below with reference to the block diagram of FIG. That is, in this information processing apparatus, the computer main body 11 and the peripheral device 12 are connected by the communication path 13. The computer main unit 12 includes a central processing unit 16 including a control unit 14 for controlling the operation of each unit of the device and various signals transmitted and received between the units, and a computing unit 15 for calculating various data. A main storage device 17 in which programs, data, and the like are stored is provided. The peripheral devices 12 are classified into a file device 18 and an input / output device 19. In FIG. 5, thick arrows indicate the flow of data, and dotted arrows indicate the relationship between observation and control between members.
【0042】図1のフローチャートを用いて説明したプ
ログラムの他、レンズ自動設計のための各種プログラム
は、上記主記憶装置17から読み出され、これに基づい
て上記最適化処理等の各種処理を行うこととなる。ま
た、この各種処理により求められた各データは上記主記
憶装置17に格納されることとなる。なお、本発明の方
法としては必ずしも上記実施例のものに限られるもので
はなく種々の態様の変更が可能である。例えば、上述し
た推定逆行列の初期値Hとしては以下の如き他の初期値
に設定することが可能である。In addition to the program described with reference to the flowchart of FIG. 1, various programs for automatic lens design are read from the main storage device 17, and various processes such as the above-described optimization process are performed based on the read programs. It will be. Each data obtained by the various processes is stored in the main storage device 17. It should be noted that the method of the present invention is not necessarily limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the initial value H of the above estimated inverse matrix can be set to another initial value as follows.
【0043】[0043]
【数13】 (Equation 13)
【0044】また、本実施例においてHをH′に修正す
る上記手法は、BFGS法(Broyden−Fletcher−Goldfab
−Shanno法)と称されており、準ニュートン法の一例で
あるが、本発明方法における準ニュートン法として適用
し得る手法はこれに限られるものではなく、その他の準
ニュートン法の各手法、例えば以下に示すDFP法(David
on −Fletcher−Powell)を適用することが可能であ
る。In the present embodiment, the above-mentioned method of correcting H to H 'is based on the BFGS method (Broyden-Fletcher-Goldfab).
-Shanno method), which is an example of the quasi-Newton method, but the method applicable as the quasi-Newton method in the method of the present invention is not limited to this, and each method of other quasi-Newton methods, for example, The DFP method shown below (David
on-Fletcher-Powell) can be applied.
【0045】すなわち、DFP法を用いた場合に、That is, when the DFP method is used,
【数14】 と設定される点は上述した実施例と同様であるが、推定
逆行列Hを推定逆行列H′に変更する式は以下の如き計
算式で表される。[Equation 14] Is set in the same manner as in the above-described embodiment, but the equation for changing the estimated inverse matrix H to the estimated inverse matrix H ′ is expressed by the following calculation equation.
【0046】[0046]
【数15】 (Equation 15)
【0047】なお、本発明方法はレンズ系設計について
の最適化方法を示すものであるが、レンズ系以外のプリ
ズムやフィルタを用いた他の光学系の設計にも適用でき
るものである。Although the method of the present invention shows an optimization method for lens system design, it can be applied to the design of other optical systems using prisms and filters other than the lens system.
【0048】[0048]
【発明の効果】以上説明したように、本説明の自動設計
による最適化方法によれば、準ニュートン法を用いて各
ターゲットの目標値に接近せしめた値に対応する各パラ
メタ値を求める際に、線形近似による1次元探索処理と
推定逆行列の更新処理を繰り返し行う手法を取り入れて
おり、これによりターゲットの値を計算するサンプル点
の数を減少させることができるので、最適化処理に要す
る計算時間を大幅に短縮することができる。したがって
レンズ系の自動設計における所要時間を短縮することが
でき、換言すれば、従来に比べ限られた設計時間内にお
いてレンズ系の性能を向上させることができる。As described above, according to the optimization method based on the automatic design described in the present description, when each parameter value corresponding to a value approaching the target value of each target is obtained using the quasi-Newton method. And a method of repeatedly performing a one-dimensional search process by linear approximation and a process of updating the estimated inverse matrix, thereby reducing the number of sample points for calculating the target value. The time can be significantly reduced. Therefore, the time required for the automatic design of the lens system can be shortened, in other words, the performance of the lens system can be improved within a limited design time compared to the related art.
【図1】本発明方法の一実施例を説明するためのフロー
チャートFIG. 1 is a flowchart for explaining an embodiment of the method of the present invention.
【図2】図1に示す実施例を概念的に示す図FIG. 2 is a diagram conceptually showing the embodiment shown in FIG. 1;
【図3】 図1に示す実施例が適用されるレンズ系FIG. 3 is a lens system to which the embodiment shown in FIG. 1 is applied;
【図4】図1に示す実施例の効果を示すグラフFIG. 4 is a graph showing the effect of the embodiment shown in FIG. 1;
【図5】 図1に示す実施例を実施するための情報処理
装置の一例を示すブロック図FIG. 5 is a block diagram showing an example of an information processing apparatus for implementing the embodiment shown in FIG. 1;
【図6】 従来技術を概念的に示す図FIG. 6 is a diagram conceptually showing a conventional technique.
【図7】 従来技術を説明するためのフローチャートFIG. 7 is a flowchart for explaining a conventional technique.
11 計算機本体 12 周辺装置 13 通信路 14 制御装置 15 演算装置 16 中央処理装置 17 主記憶装置 18 ファイル装置 19 入出力装置 L1〜L4 レンズ R1〜R7 曲率半径 D1〜D6 レンズ厚(面間隔) N1〜N4 屈折率 ν1〜ν4 アッベ数(分散)11 computer main body 12 peripheral devices 13 channel 14 control device 15 calculation device 16 the central processing unit 17 main storage 18 file system 19 input and output devices L 1 ~L 4 lens R 1 to R 7 radius of curvature D 1 to D 6 lens thickness (Spacing) N 1 to N 4 Refractive index ν 1 to ν 4 Abbe number (dispersion)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 13/00 G02B 9/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G02B 13/00 G02B 9/00
Claims (6)
系の複数個の特性が所定の目標値となるように、該レン
ズ系の構成要素の複数個の変数値を準ニュートン法を用
いて最適化する自動設計における最適化方法において、 前記準ニュートン法を用いて最適化処理を行なう過程
で、前記複数個の変数値を線形近似による1次元探索手
法により求める処理操作、および推定逆行列を更新する
処理操作を繰り返し実行することを特徴とする自動設計
における最適化方法。When designing a lens system, a plurality of variable values of components of the lens system are determined using a quasi-Newton method so that a plurality of characteristics of the lens system become predetermined target values. An optimization method in an automatic design that performs optimization by using the quasi-Newton method, in which the plurality of variable values are obtained by a one-dimensional search method based on linear approximation, and an estimated inverse matrix. Optimizing method in automatic design, characterized by repeatedly executing a processing operation for updating the data.
の値に基づき前記変数値を求める処理操作の間もしくは
前に実行することを特徴とする請求項1記載の自動設計
における最適化方法。2. The optimization method according to claim 1, wherein the two processing operations are performed during or before a processing operation for obtaining the variable value based on an actual value of the characteristic. .
複数個の特性を、 【数1】 により求められる値で近似して行なうことを特徴とする
請求項1または2記載の自動設計における最適化方法。3. The one-dimensional search according to the linear approximation, wherein the plurality of characteristics are expressed by: 3. The optimization method in automatic design according to claim 1, wherein the optimization is performed by approximation with a value obtained by:
前記特性の現在値と前記所定の目標値との近接度を表す
メリット函数の傾きを示すベクトルgの値に応じて、該
メリット関数の極小点の付近での該メリット函数の振舞
を推定した行列Hを更新する処理操作であることを特徴
とする請求項1〜3のうちいずれか1項記載の自動設計
における最適化方法。4. The processing operation for updating the estimated inverse matrix includes:
A matrix estimating the behavior of the merit function near the minimum point of the merit function according to the value of the vector g indicating the slope of the merit function representing the proximity between the current value of the characteristic and the predetermined target value. The optimization method according to any one of claims 1 to 3, wherein the processing operation is a processing operation for updating H.
在する方向を示すベクトルdは、 【数2】 で表されることを特徴とする請求項4記載の自動設計に
おける最適化方法。5. A vector d indicating a direction in which the closest point to the predetermined target value exists is given by: 5. The optimization method in automatic design according to claim 4, wherein:
手法により求める処理操作、および前記行列Hを更新す
る処理操作を所定回繰り返して行い、この結果、探索の
現在位置がベクトルxからベクトルx′に変化し、前記
行列がHからH′に更新されたとすると、探索の現在位
置を該ベクトルxに戻し、該行列をH′としたまま、前
記変数値を実際の特性値に基づき求めることを特徴とす
る請求項5記載の自動設計における最適化方法。6. A processing operation for obtaining the variable value by a one-dimensional search method based on linear approximation and a processing operation for updating the matrix H are repeatedly performed a predetermined number of times. As a result, the current position of the search is changed from a vector x to a vector x ′, And if the matrix is updated from H to H ′, the current position of the search is returned to the vector x, and the variable value is determined based on the actual characteristic value while the matrix is set to H ′. 6. The optimization method in automatic design according to claim 5, wherein
Priority Applications (1)
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