[发明专利]一种基于光学元件面形的计算机辅助装调模型的建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光学元件面形的计算机辅助装调模型的建立方法，可应用于光学系统的优化、系统集成和精密装调，属于光学系统集成领域。

背景技术

光学系统出瞳面波像差是衡量光学系统成像质量的关键指标，而光学系统设计残差、光学元件检测和加工误差以及光学系统装调误差是影响系统波像差的三个关键因素。随着光学设计软件功能的完善，光学加工和检测技术的不断发展，在光学设计、元件检测和加工精度满足要求的情况下，光学系统精密装调成为了提高光学系统成像质量的必要手段。

早期传统的光学系统装调采用了采集到的多个视场的干涉图作为光学元件精确定位依据，这会耗费大量的时间，而且装调精度不高。随着光学系统的复杂化和对光学系统成像质量需求的日益提高，光学系统的计算机辅助装调技术成为光学系统集成领域不可或缺的关键技术。计算机辅助装调重点是解决光学系统波像差与元件姿态的对应关系，通过元件姿态的调整弥补对应的像差，最终达到实现系统波像差最小的目的。目前最为常用的装调算法是基于光学系统敏感矩阵的奇异值分解，而敏感矩阵的获得依赖于合理有效的光学系统装调模型的建立，一个成功的光学系统装调模型可以有效的指导系统优化和精密装调，提高光学系统集成速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学元件面形的计算机辅助装调模型的建立方法，使得装调模型更接近于光学系统的实际装调过程，用于光学系统的优化和系统集成，解决光学系统在计算机辅助装调过程中补偿器的耦合问题，加快系统装调的迭代收敛速度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于光学元件面形的计算机辅助装调模型的建立方法包括如下步骤：

步骤一、在光学软件设计的理想光学系统中载入相应的实测光学元件面形，建立修正后的光学系统A；具体过程如下：

步骤1.1、对待装配的光学元件进行检测，检测过程中，对光学元件进行标记，记录光学系统机械装配过程中各光学元件在垂直于光轴方向的旋转位置关系；

步骤1.2、将步骤1.1检测获得的光学元件面形以Zernike系数的形式载入到光学软件设计的理想光学系统中对应的光学元件表面上，对理想光学系统进行修正，使得修正后的光学系统A能够有效表征现实的光学系统状态；

步骤二、求解步骤一所得到的光学系统A的敏感度矩阵J，过程如下：

步骤2.1、根据光学系统A为反射式或折返式或折射式系统的结构特点，合理选取物点、像点和元件的部分调整自由度生成预选补偿器组；

步骤2.2、在步骤2.1所述的各预选补偿器中人为引入失调量Δx，分别输出与之对应的系统出瞳面波像差z；

步骤2.3、求解系统的敏感度矩阵J：

式(1)中，Δx_n为人为引入的第n个预选补偿器的失调量，Δz_m＝z_m-z₀为光学系统第m个视场引入失调量前后出瞳面波像差z₀与z_m之差；

步骤三、对步骤二所求得的系统敏感度矩阵J进行奇异值分解，通过对结果的分析，从步骤2.1所述的预选补偿器组中筛选出合理的补偿器作为系统优化过程中的变量，对光学系统A进行优化，得到优化后的光学系统B；具体过程如下：

系统敏感度矩阵J的奇异值分解为：J＝UWV^T，式中矩阵U的列向量u_i为光学系统的像差奇异值向量，矩阵V的列向量v_i为光学系统的结构奇异值向量，W为含有相应奇异值的对角阵，对角线上的元素w_i呈单调递减的方式排列(w₁>w₂>…>w_n)，w_i的值表示系统对结构奇异值向量v_i的敏感度；v_i中绝对值最大的元素所处的位置n对应了第n个预选补偿器，其单位距离的调整影响最大的为u_i中绝对值最大的元素所处位置对应的像差，以系统对结构参数表现出的敏感度作为筛选补偿器的依据，当w_i的值足够小时，则认为其对应的结构参数对系统波像差的影响可以忽略，进而结束补偿器的筛选，生成系统敏感度矩阵的子矩阵J_sub；

步骤四、将步骤三获得的光学系统B的出瞳面波像差作为光学系统精密装调的目标值，并根据光学系统B的结构参数和各光学元件的相对位置关系完成光学系统的机械装配；