[发明专利]空气扰动下的光机系统光学建模和仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于光学建模仿真领域，涉及一种光学建模工具的开发及在空气扰动下的光学模型建立及仿真方法。

技术背景

目前，高精密光机系统的设计与开发更多地需要借助光、机、电集成仿真来进行。该集成仿真技术是以一种仿真软件作为核心通过建立数据接口来协同其它领域的专业软件进行的同步仿真技术。但不同软件之间进行通信需要建立软件间协议，建立连接，数据传输，终止连接等步骤，势必会影响仿真速度和稳定性。在光机系统仿真时，是以Matlab/Simulink作为主仿真环境，通过调用光学设计软件Zemax或Code V来进行光学性能仿真及光学性能的评估。但这样做经常会出现仿真延迟及中断等问题，使仿真难以进行等技术问题。基于这些技术问题，提出在Matlab环境下开发一套集成光学建模算法，使仿真只在一种软件环境下运行。解决了集成仿真中软件间通信造成的诸多问题。

另外，对于高精密光机系统，系统内空气的扰动对系统性能的影响也是必须要考虑的技术问题之一。但由于它的复杂性(涉及到诸如热对流，热辐射，流体扩散等问题)，一直困扰着设计师对这方面的深入认识及工作的有效开展。目前还没有比较有效的解决模拟空气扰动的方法，本发明以空气离散化为突破口，将空气离散成诸多不同折射率的棱镜，空气扰动模拟为棱镜面的扰动，实现了空气扰动的仿真及空气扰动对光机系统性能的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：通过将光机系统中的空气离散化，将空气的扰动模拟为刚性分割面的扰动，以此来建立空气扰动光学模型；又依据光线追迹理论开发了集成光学建模算法，借助该算法来实现空气扰动对光机系统光学性能的仿真。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空气扰动下的光机系统光学建模和仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将光机系统内部的空气用平面进行离散化分割；

(2)空气扰动模拟为分割平面的刚性运动。这些刚性运动为微平动和微转动的叠加；

(3)通过光线追迹方法建立系统扰动光学模型，包括反射光学单元的反射光学模型和离散化的各部分空气的折射光学模型。反射光学模型遵循光线反射定律，折射光学模型遵循光线折射定律；

(4)在Matlab环境下，依据建立好的光学模型计算系统扰动光学灵敏度矩阵，扰动光学灵敏度矩阵中的两个为主镜的扰动光学灵敏度矩阵和次镜的扰动光学灵敏度矩阵，其余的三个为空气扰动光学灵敏度矩阵；并将这些矩阵保存在Matlab的工作空间中；

(5)在Matlab/Simulink中新建仿真模型文件，在模型文件中加入输入量模块、输出量模块和状态空间模块。状态空间模块的数目与扰动光学灵敏度矩阵数目一致。并依次将每个状态空间模块的“D”矩阵设置为不同的扰动光学灵敏度矩阵。最后将各模块连接起来进行仿真；

所述步骤(1)中离散后的每部分空气的折射率为常数。

所述步骤(2)中刚性平面的微平动和微转动各有三个分向量，分别为笛卡儿坐标系下的三个坐标分量。

所述步骤(5)，在模型中，三个空气扰动灵敏度矩阵可表示为空气扰动光学灵敏度矩阵1，空气扰动光学灵敏度矩阵2和空气扰动光学灵敏度矩阵3，它们代表光线三次进入空气系统的光线扰动情况。这三个空气扰动光学灵敏度矩阵的输入量都为空气扰动面的平动量和转动量；主镜的扰动光学灵敏度矩阵和次镜的扰动光学灵敏度矩阵的输入量分别为主镜的平动量与转动量和次镜的平动量和转动量。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、将空气离散化，空气扰动模拟为扰动面的微平动和微转动，这样便不必考虑空气流体实际的复杂状态，方便空气扰动模型的建立及仿真的实现；

2、通过开发主仿真环境下的光学建模算法，使集成仿真在同一种软件中进行，避免了软件间的数据通信对仿真速度及稳定性的影响；

附图说明

图1为本发明在光机系统中的空气离散化模型；

图2为光线在空气折射面的追迹示意图；

图3为光线在反射面的追迹示意图；

图4为本发明进行仿真时搭建的结构框图；

图5为本发明在Simulink环境下的模块仿真图；

图6为本发明在空气扰动下仿真得到的光线在像面上的轨迹图；

图7为本发明在空气扰动下仿真得到的每条光线的光程差分布图。

具体实施方式