一种基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法，解决了现有的光学系统自动装调技术需要额外的波前传感器，且收敛速度慢、容易陷入局部极值等技术问题和缺陷，属于光学技术领域。本方法将基于模型的无波前传感器自适应光学技术用于光学系统装调，利用图像评价函数与失调镜自由度之间的线性关系直接求解出系统的失调量，不需要额外的波前传感器，装调速度快、精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法
本专利技术涉及一种基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法，属于光学

技术介绍
随着现代光学的发展，人们对成像质量的要求不断提高，导致光学系统的结构日益复杂。这不仅给光学系统的设计和加工增加了难度，也提高了对光学系统装调的要求。光学元件在系统中相对位置的正确与否，直接影响了光学系统的成像质量。通常，光学系统的装调主要靠装调人员的经验和干涉仪来完成，装调人员通过干涉仪得到的干涉图形，依靠经验调整光学元件的位置，使干涉图形达到预期的要求。显而易见，这种方法需要经验丰富的装调人员，装调周期较长，精度较差，而且在某些特殊环境下(如空间轨道)难以应用。因此，需要发展一种高精度的光学系统自动装调方法。传统的光学系统自动装调方法主要分为两类：一类是基于波前误差探测的装调方法，另一类是基于图像评价函数迭代优化的装调方法。基于波前误差探测的装调方法包括波前探测和失调校正两个步骤，波前探测可使用夏克-哈特曼波前传感器、干涉仪等；失调校正方法包括灵敏度矩阵反演法，评价函数回归法和矢量像差理论法等。这类装调方法需要额外的探测设备，增加了系统的复杂度和成本。基于图像评价函数迭代优化的装调方法一般以图像锐度作为评价函数，采用某种优化算法使评价函数收敛到极值，优化算法包括遗传算法、模拟退火算法或随机并行梯度下降算法等。这类装调方法虽然不需要额外的器件，但算法收敛速度慢且容易陷入局部极值。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的光学系统自动装调技术需要额外的波前传感器，且收敛速度慢、容易陷入局部极值等技术问题和缺陷，提出一种新的基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法。本专利技术方法的创新点在于：使用光学设计软件获得待装调镜每个自由度的影响函数，求解响应矩阵，通过引入n次待装调镜偏置，采集n+1幅图像估计校正参数和计算评价函数，求解失调量，并对待装调镜进行装调，达到校正像差，提高图像质量的目的。一种基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法，包括以下步骤：步骤1：确定待装调系统自由度的影响函数。具体如下：光学系统中的某个光学元件可能在多个运动自由度上存在失调，包括X/Y/Z方向的平移和X/Y/Z方向的旋转。因此，需要先确定每个可能产生失调的自由度对出瞳波前相位分布的影响。当光学系统设计完成后，利用光学设计软件(例如ZEMAX，CODEV等)，获得出瞳波前的设计值φ0。对光学系统的第i个待装调自由度施加一个单位移动量，利用光学设计软件，获得施加移动量后的出瞳波前φi。定义Fi为第i个待装调自由度的影响函数，其表达式为：Fi＝φi-φ0(1)其中，i＝1:n，n为所有待装调光学元件的待装调自由度之和。当获得第i个待装调自由度的影响函数后，将第i个待装调自由度复原，再按照相同的步骤，获得其余待装调自由度的影响函数，直至获得n个自由度的影响函数。由光学系统失调引起的总的出瞳波前误差φ表示为：其中，ai为第i个待装调自由度的失调量。步骤2：获取待装调光学系统的响应矩阵。具体如下：计算每个待装调自由度的影响函数的梯度，并求出他们两两之间的内积αkl：其中，Fk、Fl分别表示光学系统第k个和第l个待装调自由度的影响函数，k＝1:n，l＝1:n；表示梯度算符，P表示光瞳区域。dA表示面积的微分。光学系统的响应矩阵Q由αkl组成，其表达式为：步骤3：计算失调系统的初始评价函数，并估计校正参数。具体如下：当光学系统处于初始失调位置时，采集一幅图像Ie，计算图像功率谱密度在低频空间的积分的倒数，以此作为初始评价函数ge：其中，Se(m,ξ)为图像Ie的功率谱密度，(m,ξ)为频域极坐标，M1和M2是频域内小于采集图像的探测器的截止频率的预设数值。根据图像Ie的功率谱密度Se(m,ξ)，估计校正参数其中，H0(m,ξ)为衍射极限情况下的归一化光学传递函数。步骤4：依次施加n次正偏置并计算评价函数。具体如下：依次对每个待装调自由度引入正偏置，偏置大小为b。分别采集引入偏置后的图像Ii，获得图像的评价函数gi：其中，Si(m,ξ)为图像Ii的功率谱密度，i＝1:n。步骤5：计算待装调自由度的失调量。具体如下：待装调自由度的失调量与评价函数之间的关系为：其中，T表示矩阵转置；ge为初始评价函数；γ为增益因子，优选地，取γ∈[1.2,1.4]。待装调自由度的失调量a为：其中，表示矩阵求逆。步骤6：对待装调自由度进行校正。a包含所有待装调自由度的失调量，对待装调自由度施加-ai的校正量，即可校正失调。步骤7：判断装调后的图像是否满足质量要求。如果不满足要求，则返回步骤3。如果满足要求，装调流程结束。有益效果本专利技术方法，对比现有的光学系统自动装调方法，具有以下优点：本方法将基于模型的无波前传感器自适应光学技术用于光学系统装调，利用图像评价函数与失调镜自由度之间的线性关系直接求解出系统的失调量，不需要额外的波前传感器，装调速度快、精度高。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。图2为本专利技术方法的光学系统示意图；图3为本专利技术方法的影响函数示意图；图4为本专利技术方法的仿真结果示意图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术方法作进一步详细说明。实施例为了验证本专利技术方法的可行性，选择使用如图2所示的光学系统，结合光学设计软件ZEMAX进行仿真装调。在仿真系统中，以次镜处于失调状态，其他镜子均处于标准位置为例，给出了中心视场次镜Z方向平移，X方向平移，Y方向平移，X方向旋转和Y方向旋转5个自由度(n＝5)的装调过程。如图1所示，一种基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法，包括以下步骤：步骤1：确定待装调系统自由度的影响函数。具体如下：在光学设计软件ZEMAX中打开如图2所示的光学系统，记录设计状态中心视场出瞳波前φ0。对次镜第i个待装调自由度施加一个单位移动量(例如，Z方向平移取1μm，X方向平移取10μm，Y方向平移取10μm，X方向旋转取1.44arcsec,Y方向旋转取1.44arcsec)，利用光学设计软件，获得施加移动量后的出瞳波前φi。定义Fi为第i个待装调自由度的影响函数，其表达式为：Fi＝φi-φ0(1)其中，i＝1:n，n＝5。当获得第i个待装调自由度的影响函数后，将第i个待装调自由度复原，再按照相同的步骤，获得其余待装调自由度的影响函数，直至获得次镜5个自由度的影响函数，如图3所示。由光学系统失调引起的总的出瞳波前误差φ表示为：其中，ai为第i个待装调自由度的失调量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：确定待装调系统自由度的影响函数；/n当光学系统设计完成后，利用光学设计软件获得出瞳波前的设计值φ

【技术特征摘要】
1.一种基于模型的无波前传感器光学系统自动装调方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定待装调系统自由度的影响函数；
当光学系统设计完成后，利用光学设计软件获得出瞳波前的设计值φ0；
对光学系统的第i个待装调自由度施加一个单位移动量，利用光学设计软件，获得施加移动量后的出瞳波前φi；定义Fi为第i个待装调自由度的影响函数，其表达式为：
Fi＝φi-φ0(1)
其中，i＝1:n，n为所有待装调光学元件的待装调自由度之和；
当获得第i个待装调自由度的影响函数后，将第i个待装调自由度复原，再按照相同的步骤，获得其余待装调自由度的影响函数，直至获得n个自由度的影响函数；
由光学系统失调引起的总的出瞳波前误差φ表示为：



其中，ai为第i个待装调自由度的失调量；
步骤2：获取待装调光学系统的响应矩阵；
计算每个待装调自由度的影响函数的梯度，并求出他们两两之间的内积αkl：



其中，Fk、Fl分别表示光学系统第k个和第l个待装调自由度的影响函数，k＝1:n，l＝1:n；表示梯度算符，P表示光瞳区域，dA表示面积的微分；
光学系统的响应矩阵Q由αkl组成，其表达式为：



步骤3：计算失调系统的初始评价函数，并估计校正参数；
当光学系统处于初始失调位置时，采集一幅图像Ie，计算图像功率谱密度在低频空间的积分的倒数，以此作为初始评价函数ge：

【专利技术属性】
技术研发人员：董冰，任虹禧，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11