[發(fā)明專利]一種基于光學元件面形的計算機輔助裝調(diào)模型的建立方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410182074.1
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103984808A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設計）人: 謝耀;王麗萍;金春水;于杰;王輝;周烽;郭本銀;王君
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G02B27/64
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 田春梅

1.一種基于光學元件面形的計算機輔助裝調(diào)模型的建立方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

步驟一、在光學軟件設計的理想光學系統(tǒng)中載入相應的實測光學元件面形，建立修正后的光學系統(tǒng)A；具體過程如下：

步驟1.1、對待裝配的光學元件進行檢測，檢測過程中，對光學元件進行標記，記錄光學系統(tǒng)機械裝配過程中各光學元件在垂直于光軸方向的旋轉位置關系；

步驟1.2、將步驟1.1檢測獲得的光學元件面形以Zernike系數(shù)的形式載入到光學軟件設計的理想光學系統(tǒng)中對應的光學元件表面上，對理想光學系統(tǒng)進行修正，使得修正后的光學系統(tǒng)A能夠有效表征現(xiàn)實的光學系統(tǒng)狀態(tài)；

步驟二、求解步驟一所得到的光學系統(tǒng)A的敏感度矩陣J，過程如下：

步驟2.1、根據(jù)光學系統(tǒng)A為反射式或折返式或折射式系統(tǒng)的結構特點，合理選取物點、像點和元件的部分調(diào)整自由度生成預選補償器組；

步驟2.2、在步驟2.1所述的各預選補償器中人為引入失調(diào)量Δx，分別輸出與之對應的系統(tǒng)出瞳面波像差z；

步驟2.3、求解系統(tǒng)的敏感度矩陣J：

式(1)中，Δx_n為人為引入的第n個預選補償器的失調(diào)量，Δz_m＝z_m-z₀為光學系統(tǒng)第m個視場引入失調(diào)量前后出瞳面波像差z₀與z_m之差；

步驟三、對步驟二所求得的系統(tǒng)敏感度矩陣J進行奇異值分解，通過對結果的分析，從步驟2.1所述的預選補償器組中篩選出合理的補償器作為系統(tǒng)優(yōu)化過程中的變量，對光學系統(tǒng)A進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的光學系統(tǒng)B；具體過程如下：

系統(tǒng)敏感度矩陣J的奇異值分解為：J＝UWV^T，式中矩陣U的列向量u_i為光學系統(tǒng)的像差奇異值向量，矩陣V的列向量v_i為光學系統(tǒng)的結構奇異值向量，W為含有相應奇異值的對角陣，對角線上的元素w_i呈單調(diào)遞減的方式排列(w₁>w₂>…>w_n)，w_i的值表示系統(tǒng)對結構奇異值向量v_i的敏感度；v_i中絕對值最大的元素所處的位置n對應了第n個預選補償器，其單位距離的調(diào)整影響最大的為u_i中絕對值最大的元素所處位置對應的像差，以系統(tǒng)對結構參數(shù)表現(xiàn)出的敏感度作為篩選補償器的依據(jù)，當w_i的值足夠小時，則認為其對應的結構參數(shù)對系統(tǒng)波像差的影響可以忽略，進而結束補償器的篩選，生成系統(tǒng)敏感度矩陣的子矩陣J_sub；

步驟四、將步驟三獲得的光學系統(tǒng)B的出瞳面波像差作為光學系統(tǒng)精密裝調(diào)的目標值，并根據(jù)光學系統(tǒng)B的結構參數(shù)和各光學元件的相對位置關系完成光學系統(tǒng)的機械裝配；

步驟五、對步驟四完成裝配的光學系統(tǒng)進行檢測，獲得系統(tǒng)出瞳面波像差；

步驟六、根據(jù)步驟五的檢測結果進行判斷，系統(tǒng)出瞳面波像差的檢測結果與步驟四所述出瞳面波像差的目標值的偏差是否小于閾值；若是，則認為已完成系統(tǒng)的裝調(diào)過程；若否，則執(zhí)行步驟七；

步驟七、求解系統(tǒng)的失調(diào)量，進入計算機輔助裝調(diào)的迭代收斂過程，具體過程如下：

光學系統(tǒng)中元件姿態(tài)與系統(tǒng)出瞳面波像差的對應關系通過函數(shù)z＝z(x)表示，其中z為系統(tǒng)出瞳面波像差，x為表征光學元件姿態(tài)的系統(tǒng)結構向量，x向量中的元素代表各預選補償器；采用基于奇異值分解的牛頓迭代法，通過解算z(x)＝0實現(xiàn)||z(x)||最小，具體為：對z(x)＝0在適當?shù)氖д{(diào)量附近進行泰勒Taylor展開：

z(x+δx)＝z(x)+Jδx+Ο(δx²)????(3)

式中J為由步驟二求得的系統(tǒng)敏感度矩陣，δx為使z(x+δx)＝0的失調(diào)量，忽略式(3)中的高階項，則：

Jδx＝-z(x)????(4)

式中z(x)為實測的系統(tǒng)出瞳面波像差與優(yōu)化后的系統(tǒng)出瞳面波像差的偏差，結合步驟三中獲得的系統(tǒng)敏感度矩陣的子矩陣J_sub，通過求解公式(4)可以求得失調(diào)量δx為：

δx=-Vsub1WsubUsubTz(x)---(5)]]>

式中V_sub、W_sub、U_sub均通過對J_sub的奇異值分解獲得，δx的符號代表調(diào)整方向；

步驟八、根據(jù)步驟七求得的失調(diào)量，調(diào)整光學系統(tǒng)中相應的補償器，并將調(diào)整后的系統(tǒng)出瞳面波像差的檢測結果與步驟四所述出瞳面波像差的目標值對比，若兩者對比的偏差小于閾值，則完成光學系統(tǒng)的裝調(diào)；若兩者對比的偏差大于閾值，則重復本步驟直至系統(tǒng)出瞳面波像差的檢測結果與步驟四所述出瞳面波像差的目標值的偏差小于閾值為止。