[發(fā)明專利]一種基于模型的無波前傳感器光學系統(tǒng)自動裝調(diào)方法

有效

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• 申請日: 2021-02-24
• 公開（公告）號: CN112946880B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發(fā)明（設計）人: 董冰;任虹禧
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G01J9/00
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發(fā)明涉及一種基于模型的無波前傳感器光學系統(tǒng)自動裝調(diào)方法，解決了現(xiàn)有的光學系統(tǒng)自動裝調(diào)技術(shù)需要額外的波前傳感器，且收斂速度慢、容易陷入局部極值等技術(shù)問題和缺陷，屬于光學技術(shù)領(lǐng)域。本方法將基于模型的無波前傳感器自適應光學技術(shù)用于光學系統(tǒng)裝調(diào)，利用圖像評價函數(shù)與失調(diào)鏡自由度之間的線性關(guān)系直接求解出系統(tǒng)的失調(diào)量，不需要額外的波前傳感器，裝調(diào)速度快、精度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于模型的無波前傳感器光學系統(tǒng)自動裝調(diào)方法，屬于光學技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代光學的發(fā)展，人們對成像質(zhì)量的要求不斷提高，導致光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日益復雜。這不僅給光學系統(tǒng)的設計和加工增加了難度，也提高了對光學系統(tǒng)裝調(diào)的要求。光學元件在系統(tǒng)中相對位置的正確與否，直接影響了光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

通常，光學系統(tǒng)的裝調(diào)主要靠裝調(diào)人員的經(jīng)驗和干涉儀來完成，裝調(diào)人員通過干涉儀得到的干涉圖形，依靠經(jīng)驗調(diào)整光學元件的位置，使干涉圖形達到預期的要求。顯而易見，這種方法需要經(jīng)驗豐富的裝調(diào)人員，裝調(diào)周期較長，精度較差，而且在某些特殊環(huán)境下(如空間軌道)難以應用。因此，需要發(fā)展一種高精度的光學系統(tǒng)自動裝調(diào)方法。

傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)自動裝調(diào)方法主要分為兩類：一類是基于波前誤差探測的裝調(diào)方法，另一類是基于圖像評價函數(shù)迭代優(yōu)化的裝調(diào)方法。基于波前誤差探測的裝調(diào)方法包括波前探測和失調(diào)校正兩個步驟，波前探測可使用夏克-哈特曼波前傳感器、干涉儀等；失調(diào)校正方法包括靈敏度矩陣反演法，評價函數(shù)回歸法和矢量像差理論法等。這類裝調(diào)方法需要額外的探測設備，增加了系統(tǒng)的復雜度和成本。基于圖像評價函數(shù)迭代優(yōu)化的裝調(diào)方法一般以圖像銳度作為評價函數(shù)，采用某種優(yōu)化算法使評價函數(shù)收斂到極值，優(yōu)化算法包括遺傳算法、模擬退火算法或隨機并行梯度下降算法等。這類裝調(diào)方法雖然不需要額外的器件，但算法收斂速度慢且容易陷入局部極值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的光學系統(tǒng)自動裝調(diào)技術(shù)需要額外的波前傳感器，且收斂速度慢、容易陷入局部極值等技術(shù)問題和缺陷，提出一種新的基于模型的無波前傳感器光學系統(tǒng)自動裝調(diào)方法。

本發(fā)明方法的創(chuàng)新點在于：使用光學設計軟件獲得待裝調(diào)鏡每個自由度的影響函數(shù)，求解響應矩陣，通過引入n次待裝調(diào)鏡偏置，采集n+1幅圖像估計校正參數(shù)和計算評價函數(shù)，求解失調(diào)量，并對待裝調(diào)鏡進行裝調(diào)，達到校正像差，提高圖像質(zhì)量的目的。

一種基于模型的無波前傳感器光學系統(tǒng)自動裝調(diào)方法，包括以下步驟：

步驟1：確定待裝調(diào)系統(tǒng)自由度的影響函數(shù)。

具體如下：

光學系統(tǒng)中的某個光學元件可能在多個運動自由度上存在失調(diào)，包括X/Y/Z方向的平移和X/Y/Z方向的旋轉(zhuǎn)。因此，需要先確定每個可能產(chǎn)生失調(diào)的自由度對出瞳波前相位分布的影響。

當光學系統(tǒng)設計完成后，利用光學設計軟件(例如ZEMAX，CODE V等)，獲得出瞳波前的設計值φ₀。對光學系統(tǒng)的第i個待裝調(diào)自由度施加一個單位移動量，利用光學設計軟件，獲得施加移動量后的出瞳波前φ_i。定義F_i為第i個待裝調(diào)自由度的影響函數(shù)，其表達式為：

F_i＝φ_i-φ₀ (1)

其中，i＝1:n，n為所有待裝調(diào)光學元件的待裝調(diào)自由度之和。

當獲得第i個待裝調(diào)自由度的影響函數(shù)后，將第i個待裝調(diào)自由度復原，再按照相同的步驟，獲得其余待裝調(diào)自由度的影響函數(shù)，直至獲得n個自由度的影響函數(shù)。

由光學系統(tǒng)失調(diào)引起的總的出瞳波前誤差φ表示為：

其中，a_i為第i個待裝調(diào)自由度的失調(diào)量。