[發(fā)明專利]基于澤尼克模型系數(shù)優(yōu)化的非球面窗口光學(xué)像差校正方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011227831.4
• 申請(qǐng)日: 2020-11-06
• 公開（公告）號(hào): CN112363315B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王超;梁殿明;劉壯;史浩東;李英超;付強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)春理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00;G02B26/00;G02B26/06;G06F30/20;G06N3/12;G06F17/16;G06F111/04;G06F111/06
• 代理公司: 北京中理通專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11633
• 代理人: 劉慧宇

基于Zernike模型系數(shù)優(yōu)化的非球面窗口光學(xué)系統(tǒng)像差校正方法，屬于非球面窗口光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)目前校正方法的不足，該方法包括以下步驟：一，在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CodeV中進(jìn)行優(yōu)化，初步校正像差；二，構(gòu)建Zernike多項(xiàng)式系數(shù)和變形鏡驅(qū)動(dòng)器電壓的轉(zhuǎn)換矩陣；三，利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化：編寫遺傳算法，將光學(xué)系統(tǒng)的斯特列爾比作為算法的適應(yīng)度函數(shù)，將Zernike多項(xiàng)式的8項(xiàng)系數(shù)作為算法的變量；四，將Zernike系數(shù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器電壓：用步驟二得到的矩陣A乘以步驟三得到的矩陣C得到變形鏡驅(qū)動(dòng)器電壓矩陣V；五，用變形鏡校正像差：使變形鏡驅(qū)動(dòng)器電壓改變?yōu)椴襟E四中得到的電壓V，使變形鏡產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的面型從而補(bǔ)償像差。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于非球面窗口光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于Zernike模型系數(shù)優(yōu)化的非球面窗口光學(xué)系統(tǒng)像差校正方法，適用于各種非球面窗口光學(xué)系統(tǒng)的像差校正。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的飛行器窗口元件一般為半球形，成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心與球面中心重合，掃描過程產(chǎn)生的像差是恒定的，并且設(shè)計(jì)和加工的難度低，技術(shù)成熟。但這種半球形窗口的空氣阻力系數(shù)較大，難以滿足高速飛行的需求。由于目前對(duì)飛行器的速度要求越來越高，通常會(huì)采用更符合空氣動(dòng)力學(xué)性能的非球面窗口來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球面和平板窗口，一般是二次曲面，多為橢球形。但是隨著掃描視場(chǎng)角的變化，這種非球面窗口會(huì)給后方成像系統(tǒng)帶來動(dòng)態(tài)變化的像差，校正這種動(dòng)態(tài)像差是非球面窗口光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展中必須解決的關(guān)鍵問題。

中國(guó)專利專利公開號(hào)為“CN 106054381 A”，專利名稱為“的含變形鏡的共形小凹紅外光學(xué)系統(tǒng)”，該專利同樣使用變形鏡作為動(dòng)態(tài)像差發(fā)生器，該專利的不足是沒有考慮所用變形鏡的驅(qū)動(dòng)器情況利用基于模型的優(yōu)化算法，而是直接控制變形鏡的面型進(jìn)行像差校正，這種方法的校正速度會(huì)隨著所用變形鏡的驅(qū)動(dòng)器個(gè)數(shù)增加而大大減慢。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決非球面光學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)像差的校正問題，針對(duì)目前校正方法的不足，提出了一種基于Zernike模型系數(shù)優(yōu)化的非球面窗口光學(xué)系統(tǒng)像差校正方法。該方法可以適用于大掃描視場(chǎng)(±60°)的非球面窗口光學(xué)系統(tǒng)，且優(yōu)化算法變量少，校正速度快，校正后各掃描視場(chǎng)MTF都已接近衍射極限，可以滿足實(shí)際使用的要求。

本發(fā)明的具體設(shè)計(jì)如下：

基于Zernike模型系數(shù)優(yōu)化的非球面窗口光學(xué)系統(tǒng)像差校正方法，該方法包括以下步驟：

步驟一，初步校正像差：在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Code V中進(jìn)行優(yōu)化，初步校正像差；將非球面校正板的面形系數(shù)及曲率半徑與三片球面光學(xué)透鏡的厚度及曲率半徑設(shè)置為優(yōu)化變量，再加入Zernike多項(xiàng)式10～16項(xiàng)對(duì)應(yīng)的五階像差項(xiàng)的約束條件，將所有五階像差的約束目標(biāo)設(shè)為0，約束權(quán)重設(shè)為大于1的數(shù)值，設(shè)置完成使用軟件進(jìn)行優(yōu)化；

步驟二，構(gòu)建Zernike多項(xiàng)式系數(shù)和變形鏡驅(qū)動(dòng)器電壓的轉(zhuǎn)換矩陣：所用動(dòng)態(tài)像差發(fā)生器為微機(jī)械變形鏡，微機(jī)械變形鏡的n個(gè)單元分別由n個(gè)驅(qū)動(dòng)器電壓控制(通常n30)，改變驅(qū)動(dòng)器電壓會(huì)使對(duì)應(yīng)單元產(chǎn)生形變，控制所有驅(qū)動(dòng)器電壓使變形鏡所有單元產(chǎn)生不同形變從而使變形鏡產(chǎn)生面形：

式中，v_i是變形鏡的第i個(gè)驅(qū)動(dòng)器的控制電壓，上式中(x_i，y_i)表示變形鏡的第i個(gè)驅(qū)動(dòng)器的位置，d是變形鏡相鄰驅(qū)動(dòng)器之間的間距，α是高斯函數(shù)指數(shù)，ω是變形鏡驅(qū)動(dòng)器的交聯(lián)值；

步驟一中已基本消除了五階像差，用8項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式可表示殘余像差的波前信息，建立Zernike多項(xiàng)式和變形鏡驅(qū)動(dòng)器電壓之間n×8的轉(zhuǎn)換矩陣A：

V＝AC

其中：V為n×1的驅(qū)動(dòng)器電壓矩陣，C為8×1的Zernike系數(shù)矩陣；