[发明专利]一种基于光学系统失调量解算的光机结构稳定性评估方法

摘要

一种基于光学系统失调量解算的光机结构稳定性评估方法属于光学系统集成领域，该方法是根据初始时刻和待评估时刻光学系统的波面偏差解算系统失调量，根据系统失调量调整相应补偿器，将调整后系统与初始时刻的系统波面偏差作为是否完成稳定性评估的判据，解算的失调量即为对应光机结构在该时间段内的长期不稳定性。本发明的方法适用于光机结构复杂的光学系统长期稳定性的实时评估，克服了传统稳定性评估方法受限于空间位置的问题。

主权项

一种基于光学系统失调量解算的光机结构稳定性评估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、完成光学系统的机械装配并借助计算机辅助装调技术完成光学系统的集成装调；步骤二、完成步骤一中所得到的光学系统的出瞳面波像差检测；步骤三、借助步骤二中的出瞳面波像差检测结果，建立光学系统的敏感度矩阵J，过程如下：步骤3.1、根据光学系统为反射式或折返式或折射式系统的结构特点，合理选取待评估元件的结构参数生成预选补偿器组；步骤3.2、在步骤3.1所得的各预选补偿器中人为引入失调量Δx，分别测得与之对应的系统出瞳面波像差z；步骤3.3、求解光学系统的敏感度矩阵：式中，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；步骤四、对步骤三所得到的敏感度矩阵J进行奇异值分解，得到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；根据系统像差奇异值向量对结构奇异值向量的敏感度大小，对预选补偿器进行分组，建立补偿器调整的优先级；步骤五、采用与步骤二中相同的检测方法，完成对步骤一中所获得的光学系统的波像差检测，获得A时刻即初始时刻和B时刻即待评估时刻的系统出瞳面波像差；步骤六、根据步骤五中所得到的A时刻和B时刻的系统出瞳面波像差，结合步骤四中的补偿器分组结果求解失调量，完成对应补偿器的失调量计算，具体过程如下：光学系统中元件姿态与系统出瞳面波像差的对应关系通过函数z＝z(x)表示，其中z为系统出瞳面波像差，x为表征光学元件姿态的系统结构向量，x向量中的元素代表各预选补偿器；采用基于奇异值分解的牛顿迭代法，通过解算z(x)＝0实现||z(x)||最小，具体为：对z(x)＝0在适当的失调量附近进行泰勒Taylor展开：z(x+δx)＝z(x)+Jδx+Ο(δx²)   (3)式中J为由步骤三求得的系统敏感度矩阵，δx为使z(x+δx)＝0的失调量，忽略式(3)中的高阶项，则：Jδx＝‑z(x)   (4)式中z(x)为实测的系统出瞳面波像差与优化后的系统出瞳面波像差的偏差，通过求解公式(4)可以求得失调量δx为：$\mathrm{\δx}=-V\frac{1}{W}{U}^{T}z\left(x\right)---\left(5\right)$式中V、W、U均通过对步骤三中所得到的敏感度矩阵J的奇异值分解获得，δx的符号代表调整方向；步骤七、根据步骤六中所得到的失调量对各补偿器做出相应的调整，测得调整后的光学系统出瞳面波像差，对比A时刻的光学系统出瞳面波像差，若两者的偏差小于阈值，则完成光机结构的长期稳定性评估；若两者的偏差大于阈值，则根据偏差重新计算失调量并重复本步骤直至调整后的系统出瞳面波像差与A时刻的系统出瞳面波像差的偏差小于阈值为止。