一种光学元件支撑参数的蒙特卡洛分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光学元件支撑参数的确定方法，该方法具体为：确定保证面形精度的最少支撑点数为最优支撑点数，并计算支撑点的理想支撑力；依据理想支撑力定义多个不同支撑力波动水平，计算不同支撑力水平下随机支撑力引起的镜片面形变化；统计并检验镜片面形畸变的随机分布规律，建立不同支撑力水平与光学元件成像质量的映射关系；根据质量控制标准，确定支撑力的波动范围。本发明专利技术基于蒙特卡洛方法，解析不均匀支撑力作用下镜片面形畸变的随机分布规律，分析不同随机支撑力水平对光学元件成像质量的影响，从而确定合理的支撑力波动范围，为光学元件支撑系统的设计和装调提供了有效的参考数据。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学元件支撑系统设计与装调领域，具体涉及一种光学元件柔性支撑参数的确定方法及系统，适用于大口径、高分辨率、多点柔性支撑的光学镜片支撑系统设计与装调、公差与工艺设计、像质分析，可推广应用于其余类型随机载荷的光学系统成像质量分析及支撑力水平确定。
技术介绍
为了提高分辨率，天文望远镜、太空望远镜和光电跟踪设备等都需要大口径光学透(反)射镜片。为了满足光学镜片的高精度面形要求，通常采用多点柔性支撑方式以减小镜片自重下的面形畸变，支撑系统的设计已成为大口径、高分辨率光学系统设计的关键内容。镜片多点支撑结构将给镜片带来冗余约束，其高阶面形畸变需要采用泽尼克(Zernike)多项式来逼近。实际装调过程中，由于装调人员装调精度等因素影响，各点支撑力通常呈现出较大的不均匀性，这已成为影响光学元件面形精度的主要因素。因此，将不均匀支撑力视为服从装调人员装调力随机分布规律的随机载荷，分析不同随机支撑力水平对光学系统成像质量的影响，从而确定合理的支撑力变化范围，对于光学系统柔性支撑结构设计与装调、公差设计和成像质量分析具有重要的理论与应用价值。目前光学设计通常采用蒙特卡洛方法开展光学元件的尺寸与位置公差设计，大都将镜片视为刚体，没有考虑实际装配中随机支撑力作用下镜片的高阶面形畸变，不能用于指导柔性支撑结构的支撑力变化范围的确定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光学元件支撑参数的分析与确定方法，本专利技术考虑不均匀支撑力作用下镜片面形畸变的随机分布规律，分析不同随机支撑力水平对光学元件成像质量的影响，从而确定合理的支撑力波动范围，为光学元件支撑系统的设计和装调提供了有效的参考数据。本专利技术的另一目的还在于提供一种实现上述方法的系统。一种光学元件支撑参数的确定方法，具体为步骤I建立光学元件的有限元模型，计算支撑点数递增下光学元件的自重变形结果，分析光学元件表面畸变随支撑点数增加的变化趋势，依据该变化趋势确定保证面形精度的最少支撑点数为最优支撑点数n，计算理想支撑力F = mg/n，m为元件的质量，g为重力加速度，最优支撑点数η中包含的柔性支撑点数记为n'；步骤2基于理想支撑力F定义M个不同支撑力波动水平f，按照如下方式在每一支撑力波动水平f下生成N组随机支撑力预先确定光学元件装调力的统计分布规律；在支撑力波动水平f下，生成服从装调力统计分布规律的n'个随机载荷，该n'个随机载荷构成支撑力波动水平f下的一组随机支撑力；如此重复生成支撑力波动水平f下的N组随机 支撑力步骤3基于步骤I建立的有限元模型，计算在每一支撑力波动水平f下的N组随机支撑力作用下光学元件的表面变形结果；步骤4采用齐次坐标方法去除每一支撑力波动水平下的N组表面变形结果中包含的刚体位移，再采用最小二乘法拟合表征其高阶变形的Zernike多项式的各项系数，从而获得每一支撑力波动水平下的N个面形参数；步骤5分别统计并检验各支撑力波动水平下的N个面形参数的随机分布规律；步骤6根据光学元件的成像质量指标要求，建立元件基于面形参数的光学质量评价函数；基于步骤5中获得的各支撑力波动水平下的面形参数的随机分布规律，生成L组面形参数随机变量；计算各支撑力波动水平下的L组随机变量满足光学质量评价函数的概率，从而建立起支撑力波动水平与成像质量指标的离散点映射关系；步骤7根据质量控制标准，结合支撑力波动水平与成像质量指标的离散点映射关系，采用线性插值方法来求取允许的最大支撑力波动水平，从而确定支撑力的变化范围。 所述面形参数为Zernike多项式系数或面形PV值或RMS值或上述三参数的任意组合。—种光学兀件支撑参数确定系统，包括支撑点数优化模块，用于建立光学元件的有限元模型，计算支撑点数递增下光学元件的自重变形结果，分析光学元件表面畸变随支撑点数增加的变化趋势，依据该变化趋势确定保证面形精度的最少支撑点数为最优支撑点数n，计算理想支撑力F = mg/n，m为元件的质量，g为重力加速度，最优支撑点数η中包含的柔性支撑点数记为n'；随机支撑力发生模块，用于基于理想支撑力F定义M个不同支撑力波动水平f，按照如下方式在每一支撑力波动水平f下生成N组随机支撑力预先确定光学元件装调力的统计分布规律；在支撑力波动水平f下，生成服从装调力统计分布规律的n'个随机载荷，该n'个随机载荷构成支撑力波动水平f下的一组随机支撑力；如此重复生成支撑力波动水平f的N组随机支撑力；畸变求解模块，用于基于支撑点数优化模块建立的有限元模型，计算在每一支撑力波动水平下的N组随机支撑力作用下光学元件的表面变形结果；Zernike多项式系数拟合模块，用于采用齐次坐标方法去除每一支撑力波动水平下的N组表面变形结果中包含的刚体位移，再采用最小二乘法拟合表征其高阶变形的Zernike多项式的各项系数，从而获得每一支撑力波动水平下的N个面形参数；分布规律统计模块，用于分别统计并检验各支撑力波动水平下的N个面形参数的随机分布规律；成像质量评价模块，用于根据光学元件的成像质量指标要求，建立元件基于面形参数的光学质量评价函数；基于分布规律统计模块获得的各支撑力波动水平下的面形参数的随机分布规律，生成L组面形参数随机变量；计算各支撑力波动水平下的L组随机变量满足光学质量评价函数的概率，从而建立起支撑力波动水平与成像质量指标的离散点映射关系;支撑参数计算模块，用于根据质量控制标准，结合支撑力波动水平与成像质量指标的离散点映射关系，采用线性插值方法来求取允许的最大支撑力波动水平，从而确定支撑力的变化范围。本专利技术的技术效果体现在本专利技术采用蒙特卡洛方法，将柔性支撑结构的不均匀支撑力视为随机支撑力，分析不同随机支撑力水平引起的镜片面形变化的随机分布规律，建立不同支撑力水平与光学元件成像质量的映射关系，进而根据质量控制标准(如3 σ准则、6σ准则)确定随机支撑力的波动范围。本专利技术利用有限元软件计算不均匀支撑力作用下镜片面形畸变，和Zernike多项式作为光机集成的数据转换接口，可以减少随机支撑力作用下光学镜片成像质量的实验工作量，可以直接依据支撑力统计特性预测光学元件的成像质量；相比常见的采用蒙特卡洛方法进行光学系统公差设计，本专利技术的最大特征是针对镜片承受不均匀支撑力的高阶面形畸变进行光学元件成像质量评价，通过采用仿真计算和随机分析方法能确定光学元件的支撑力参数。附图说明图I为本专利技术方法整体流程图。 图2为实现本专利技术方法的系统结构图。图3为实施例透镜的几何尺寸与支撑分布图，其中，图3a为透镜的几何尺寸图，图3b为支撑分布示意图。图4为实施例透镜的有限元计算模型图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。图I为本专利技术方法流程图，下面以光学元件的底支撑为例说明具体实施例方式I、针对光学元件的几何模型图3a，在有限元软件中建立其有限元计算模型，计算支撑点数递增下元件自重导致的面形变化结果；获得元件表面最大变形随支撑点数增加的变化趋势，确定满足面形精度要求的最少支撑点数为支撑系统的最优支撑点数η;—般大口径光学元件的支撑点包括固定支撑点和柔性支撑点，柔性支撑点采用柔性支撑结构，例如弹簧片、柔性铰链等。计算出理想状态下每个支撑点承受的平均重力，此即为支撑结构需提供的理想支撑力F = mg/n, m为元件的质量，g为重力加速度。2、根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学元件支撑参数的确定方法，具体为：步骤1建立光学元件的有限元模型，计算支撑点数递增下光学元件的自重变形结果，分析光学元件表面畸变随支撑点数增加的变化趋势，依据该变化趋势确定保证面形精度的最少支撑点数为最优支撑点数n，计算理想支撑力F＝mg/n，m为元件的质量，g为重力加速度，最优支撑点数n中包含的柔性支撑点数记为n′；步骤2基于理想支撑力F定义M个不同支撑力波动水平f，按照如下方式在每一支撑力波动水平f下生成N组随机支撑力：预先确定光学元件装调力的统计分布规律；在支撑力波动水平f下，生成服从装调力统计分布规律的n′个随机载荷，该n′个随机载荷构成支撑力波动水平f下的一组随机支撑力；如此重复生成支撑力波动水平f下的N组随机支撑力；步骤3基于步骤1建立的有限元模型，计算在每一支撑力波动水平f下的N组随机支撑力作用下光学元件的表面变形结果；步骤4采用齐次坐标方法去除每一支撑力波动水平下的N组表面变形结果中包含的刚体位移，再采用最小二乘法拟合表征其高阶变形的Zernike多项式的各项系数，从而获得每一支撑力波动水平下的N个面形参数；步骤5分别统计并检验各支撑力波动水平下的N个面形参数的随机分布规律；步骤6根据光学元件的成像质量指标要求，建立元件基于面形参数的光学质量评价函数；基于步骤5中获得的各支撑力波动水平下的面形参 数的随机分布规律，生成L组面形参数随机变量；计算各支撑力波动水平下的L组随机变量满足光学质量评价函数的概率，从而建立起支撑力波动水平与成像质量指标的离散点映射关系；步骤7根据质量控制标准，结合支撑力波动水平与成像质量指标的离散点映射关系，采用线性插值方法来求取允许的最大支撑力波动水平，从而确定支撑力的变化范围。...

【技术特征摘要】
1.一种光学元件支撑参数的确定方法，具体为 步骤I建立光学元件的有限元模型，计算支撑点数递增下光学元件的自重变形结果，分析光学元件表面畸变随支撑点数增加的变化趋势，依据该变化趋势确定保证面形精度的最少支撑点数为最优支撑点数n，计算理想支撑力F = mg/n，m为元件的质量，g为重力加速度，最优支撑点数η中包含的柔性支撑点数记为η,； 步骤2基于理想支撑力F定义M个不同支撑力波动水平f，按照如下方式在每一支撑力波动水平f下生成N组随机支撑力预先确定光学元件装调力的统计分布规律；在支撑力波动水平f下，生成服从装调力统计分布规律的n'个随机载荷，该n'个随机载荷构成支撑力波动水平f下的一组随机支撑力；如此重复生成支撑力波动水平f下的N组随机支撑力； 步骤3基于步骤I建立的有限元模型，计算在每一支撑力波动水平f下的N组随机支撑力作用下光学元件的表面变形结果； 步骤4采用齐次坐标方法去除每一支撑力波动水平下的N组表面变形结果中包含的刚体位移，再采用最小二乘法拟合表征其高阶变形的Zernike多项式的各项系数，从而获得每一支撑力波动水平下的N个面形参数； 步骤5分别统计并检验各支撑力波动水平下的N个面形参数的随机分布规律； 步骤6根据光学元件的成像质量指标要求，建立元件基于面形参数的光学质量评价函数；基于步骤5中获得的各支撑力波动水平下的面形参数的随机分布规律，生成L组面形参数随机变量；计算各支撑力波动水平下的L组随机变量满足光学质量评价函数的概率，从而建立起支撑力波动水平与成像质量指标的离散点映射关系； 步骤7根据质量控制标准，结合支撑力波动水平与成像质量指标的离散点映射关系，采用线性插值方法来求取允许的最大支撑力波动水平，从而确定支撑力的变化范围。2.根据权利要求I所述的光学元件支撑参数的确定方法，其特征在于，所述面形参数为Zernike多项式系数或面形PV值或RMS值或上述三参数的...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗欣，沈意平，刘远，陈学东，曾理湛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：