[發明專利]一種基于光學元件面形的計算機輔助裝調模型的建立方法

在審

• 申請號: 201410182074.1
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103984808A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（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

技術領域

本發明涉及一種基于光學元件面形的計算機輔助裝調模型的建立方法，可應用于光學系統的優化、系統集成和精密裝調，屬于光學系統集成領域。

背景技術

光學系統出瞳面波像差是衡量光學系統成像質量的關鍵指標，而光學系統設計殘差、光學元件檢測和加工誤差以及光學系統裝調誤差是影響系統波像差的三個關鍵因素。隨著光學設計軟件功能的完善，光學加工和檢測技術的不斷發展，在光學設計、元件檢測和加工精度滿足要求的情況下，光學系統精密裝調成為了提高光學系統成像質量的必要手段。

早期傳統的光學系統裝調采用了采集到的多個視場的干涉圖作為光學元件精確定位依據，這會耗費大量的時間，而且裝調精度不高。隨著光學系統的復雜化和對光學系統成像質量需求的日益提高，光學系統的計算機輔助裝調技術成為光學系統集成領域不可或缺的關鍵技術。計算機輔助裝調重點是解決光學系統波像差與元件姿態的對應關系，通過元件姿態的調整彌補對應的像差，最終達到實現系統波像差最小的目的。目前最為常用的裝調算法是基于光學系統敏感矩陣的奇異值分解，而敏感矩陣的獲得依賴于合理有效的光學系統裝調模型的建立，一個成功的光學系統裝調模型可以有效的指導系統優化和精密裝調，提高光學系統集成速度。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于光學元件面形的計算機輔助裝調模型的建立方法，使得裝調模型更接近于光學系統的實際裝調過程，用于光學系統的優化和系統集成，解決光學系統在計算機輔助裝調過程中補償器的耦合問題，加快系統裝調的迭代收斂速度。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于光學元件面形的計算機輔助裝調模型的建立方法包括如下步驟：

步驟一、在光學軟件設計的理想光學系統中載入相應的實測光學元件面形，建立修正后的光學系統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系數的形式載入到光學軟件設計的理想光學系統中對應的光學元件表面上，對理想光學系統進行修正，使得修正后的光學系統A能夠有效表征現實的光學系統狀態；

步驟二、求解步驟一所得到的光學系統A的敏感度矩陣J，過程如下：

步驟2.1、根據光學系統A為反射式或折返式或折射式系統的結構特點，合理選取物點、像點和元件的部分調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量Δx，分別輸出與之對應的系統出瞳面波像差z；

步驟2.3、求解系統的敏感度矩陣J：

式(1)中，Δx_n為人為引入的第n個預選補償器的失調量，Δz_m＝z_m-z₀為光學系統第m個視場引入失調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優化過程中的變量，對光學系統A進行優化，得到優化后的光學系統B；具體過程如下：

系統敏感度矩陣J的奇異值分解為：J＝UWV^T，式中矩陣U的列向量u_i為光學系統的像差奇異值向量，矩陣V的列向量v_i為光學系統的結構奇異值向量，W為含有相應奇異值的對角陣，對角線上的元素w_i呈單調遞減的方式排列(w₁>w₂>…>w_n)，w_i的值表示系統對結構奇異值向量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，以系統對結構參數表現出的敏感度作為篩選補償器的依據，當w_i的值足夠小時，則認為其對應的結構參數對系統波像差的影響可以忽略，進而結束補償器的篩選，生成系統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B的出瞳面波像差作為光學系統精密裝調的目標值，并根據光學系統B的結構參數和各光學元件的相對位置關系完成光學系統的機械裝配；