基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法，属于光学系统技术领域。本发明专利技术按照实际装调检测光路在光学设计软件中建模，从干涉仪光点或平行光束开始进行光路设置，并根据装调检测时光学系统光路的走向得到与实际检测光路相同的光学元件布局，实现光学元件失调时所对应的旋转点与工程实际中的旋转点相一致，并通过灵敏度矩阵的方法计算光学系统失调量，直接使用装调检测过程中干涉仪实际检测得到的波像差结果而不进行坐标变换，解算出的失调量可直接对应实际光学元件安装和调整机构对应的调整量而不必再进行基准过度，提高了计算机辅助装调的准确性和实用性，同时提高了计算机辅助装调光学系统的效率。

【技术实现步骤摘要】
基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法
本专利技术涉及一种基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法，属于光学系统

技术介绍
衡量光学系统成像质量的重要指标是光学系统出瞳处的波像差。其中光学系统的设计残余像差、光学元件面形偏差和光学系统中光学元件失调引起的像差是影响光学系统出瞳处的波像差的三个关键因素。随着光学设计软件功能的完善和光学设计水平的提高，特别是CodeV、Zemax和Oslo等多种功能强大的商业光学设计软件的普遍使用，目前成像光学系统的设计结果一般是完善的，系统设计的残余像差基本上可以忽略。同时，光学加工水平和检测水平的不断提高，光学元件表面面形的加工精度和面形偏差的检测精度都得到了显著提升，使得光学元件面形偏差对光学系统成像质量的影响降低且对系统的影响可控。光学系统装调是光学系统设计的实现过程，主要包括对光学元件空间位置和姿态的控制及装调后系统性能的检测等环节。在光学系统优化设计结果完善、光学元件表面高精度加工完成后，光学系统装调水平的提高成为保证光学系统成像质量的必要手段。光学系统装调技术经历了从直接机械安装定位装调、光学元件基准传递装调到光学系统在线检测补偿装调的发展历程。计算机辅助装调是光学系统在线检测补偿装调的一种方法，是将光学像质测量与计算机优化相结合，把计算机技术应用于光学系统装调的一项新技术。该技术首先对表征光学系统成像质量的系统波像差进行在线检测，同时利用光学设计软件仿真功能和光学系统像差特性得到光学系统的各个自由度失调时的灵敏特性，然后利用该灵敏特性对在线测量得到的系统波像差进行处理，给出系统各个光学组件明确的调整方向和具体的量值，从而通过各种定位工具和调整工具将各光学组件调整到其理论的最佳位置，使光学系统成像质量可以接近于理论设计指标。它克服了传统装调方法的不可视见、不定量、装调周期长等缺点，能准确、定量的给出失调量，可以有效地指导装调过程。现有的计算机辅助装调方法根据实际干涉检测光路对待装调光学系统的多视场波像差检测结果计算光学系统的失调量，如专利CN103984808公布了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，专利CN104036071公布了一种大动态范围光学系统计算机辅助装调方法，两者都是基于计算机辅助的装调方法。但是，上述专利中没有涉及到计算机辅助装调方法中在指导实际装调过程的几个关键问题。第一，计算机辅助装调方法一般利用干涉仪搭建干涉检测光路对被检光学系统进行测量。干涉检测光路是将干涉仪、被检光学系统、标准平面镜合理组合搭建而成的一种自准直干涉光路。该光路与被检光学系统原始设计光路不相同。被检光学系统原始设计光路一般是正向设计，在光学系统像面处评价光学系统成像质量，光线按照序列模式单次经过被检光学系统的各个光学元件，且被检光学系统的视场设置、子午面和弧矢面的划分按照被检光学系统实际的使用模式进行。在干涉检测光路里，干涉仪光点位于被检光学系统的焦面处，逆向经过被检光学系统成为准平行光束，然后被标准平面反射镜垂直反射，再次正向经过被检光学系统并聚焦在焦面上，随后进入干涉仪后与参考光形成干涉，实现对被检光学系统出瞳处的波像差测量，并根据干涉仪光点所在位置和标准平面反射镜的法线方向区分被检光学系统的不同视场，因此干涉检测光路中光线两次通过各光学元件。当光学系统存在失调时，双向光路检测光路和正向设计光路存在差异。第二，除了光线经过光路的次序和次数方面不同之外，出于装调可行性及装调检测时安放光学系统方便的工程实际考虑，光学系统装调检测时整个光路的姿态与光学系统设计时的整个光路的姿态也可能不相同，比如竖直设计的光学系统，采用竖直装调检测时由于光路上下布置会给干涉仪、标准平面镜的摆放造成严重的困难，因此选择整个光路在水平面内进行，相对光学系统实际使用状态旋转了90°，此时干涉检测中干涉仪测得的波像差数据的坐标系也与在设计文件中进行分析时得到的波像差数据坐标系不同。这就给失调量计算时所采用的系统波像差的处理带来了问题。失调量计算时需要对所使用的实际检测波像差需要进行坐标转换后才能代入到光学设计软件或者光学元件失调量计算程序中进行失调量的计算。第三，实际光学系统中各光学元件的失调形式由其支撑结构和在主体框架上的安装固定形式确定，与光学设计软件中光学元件模型的空间坐标形式不同，特别是离轴光学元件其光学顶点和光轴与机械轴相差更远。在光学设计软件中，如果不做特殊处理，光学元件失调时，其姿态失调所对应的旋转点是光学元件的光学顶点，而实际光学系统的光机结构设计形式决定了各光学元件失调时的实际旋转点。对于这种不同，顾志远等人在《光学系统计算机辅助装调的坐标基准过渡方法》(《光学学报》，Vol.34,No.3,0322003-1:6)一文中提出了一种解决方案，该解决方案在失调量解算时不考虑工程实际情况解算出光学元件绕光学顶点的旋转和平移量，然后根据每个光学元件实际安装结构得到要实现上述解算失调量所对应的工程实际中的调整机构的调整量和方向。该方法需要在失调量解算的基础上再进行基准过渡，过程复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法，以解决光学系统在计算机辅助装调过程中实际检测波像差不能直接使用到失调量计算程序或过程中、易于造成关键像差的符号和方向错位的问题。本专利技术为解决上述技术问题而提供了一种基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法，该装调方法包括以下步骤：1)根据光学系统特点和光机结构形式选择光学系统装调检测光路相对设计文件的旋转角度；2)根据光学元件结构尺寸和重量，选择光学系统中基准元件和需调整元件的自由度，并设计调整基准原件的固定形式和需调整元件自由度的调整机构；3)按照选择的光学系统装调检测光路所处方位和各需调整元件调整机构的定量特点，通过光学设计软件中坐标变换实现与装调检测光路一致的双向光路模型；4)按照需调整自由度的调整机构形式分析各自由度对系统检测结果的灵敏度，并按照失调形式建立灵敏度矩阵M；5)对灵敏度矩阵进行条件数分析，根据分析结果对灵敏度矩阵中的自由度进行分组，确定调整次序和组合；6)搭建自准直干涉检测光路，检测实际检测系统的多视场波像差；7)根据检测结果判断多视场波像差决定的系统像质是否满足要求，并在满足要求时结束装调。所述步骤4)中灵敏度矩阵M的建立过程如下：A.光路实际建模模型中各调整自由度按照实际失调形式分别引入失调量δxn，n代表不同自由度，并分别计算失调量引入后的波像差数值，波像差数值以Zernike系数中代表初级像差的系数代表；B.将得到的失调后的Zernike系数与理想状态下的Zernike系数相减得到Zernike系数的变化量δzm，计算δzm/δxn得到的即为灵敏度矩阵M。所述的波像差数值为Zernike系数的第4至第9项。所述当步骤7)中系统像质不满足要求时，对分组后的灵敏度矩阵分别进行SVD奇异值分解，根据奇异值分解结果计算灵敏度矩阵的伪逆矩阵，根据步骤6)中得到的多视场波像差数据解算各组失调量自由度的失调量数据，并按照计算结果先后对各分组的失调自由度进行相应调整，然后回到步骤6，直至多视场波像差决定的系统像质满足要求为止。光学系统中结构尺寸较大、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法，其特征在于，该装调方法包括以下步骤：1)根据光学系统特点和光机结构形式选择光学系统装调检测光路相对设计文件的旋转角度；2)根据光学元件结构尺寸和重量，选择光学系统中基准元件和需调整元件的自由度，并设计调整基准原件的固定形式和需调整元件自由度的调整机构；3)按照选择的光学系统装调检测光路所处方位和各需调整元件调整机构的定量特点，通过光学设计软件中坐标变换实现与装调检测光路一致的双向光路模型；4)按照需调整自由度的调整机构形式分析各自由度对系统检测结果的灵敏度，并按照失调形式建立灵敏度矩阵M；5)对灵敏度矩阵进行条件数分析，根据分析结果对灵敏度矩阵中的自由度进行分组，确定调整次序和组合；6)搭建自准直干涉检测光路，检测实际检测系统的多视场波像差；7)根据检测结果判断多视场波像差决定的系统像质是否满足要求，并在满足要求时结束装调。

【技术特征摘要】
1.一种基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法，其特征在于，该装调方法包括以下步骤：1)根据光学系统特点和光机结构形式选择光学系统装调检测光路相对设计文件的旋转角度；2)根据光学元件结构尺寸和重量，选择光学系统中基准元件和需调整元件的自由度，并设计调整基准原件的固定形式和需调整元件自由度的调整机构；3)按照选择的光学系统装调检测光路所处方位和各需调整元件调整机构的定量特点，通过光学设计软件中坐标变换实现与装调检测光路一致的双向光路模型；4)按照需调整自由度的调整机构形式分析各自由度对系统检测结果的灵敏度，并按照失调形式建立灵敏度矩阵M；5)对灵敏度矩阵进行条件数分析，根据分析结果对灵敏度矩阵中的自由度进行分组，确定调整次序和组合；6)搭建自准直干涉检测光路，检测实际检测系统的多视场波像差；7)根据检测结果判断多视场波像差决定的系统像质是否满足要求，并在满足要求时结束装调。2.根据权利要求1所述的基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法，其特征在于，所述步骤4)中灵敏度矩阵M的建立过程如下：A.光路实际建模模型中各调整自由度按照实际失调形式分别引入失调量δxn，n代表不同自由度，并分别计算失调量引入后的波像差数值，波像差数值以Zernike系数中代表...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明锁，刘锋，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，
类型：发明
国别省市：河南,41