基于实际光学系统装调检测光路的计算机辅助装调方法与流程

本发明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。

背景技术

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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、重量较重的元件不易于进行调整，选其作为基准原件，其他光学元件从姿态和位置上向基准原件靠拢。

为保证系统建模时旋转点选择的准确性，调整机构在结构上应使光学元件移动的旋转轴进行准确定位。

本发明的有益效果是:本发明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，并利用公知的光学设计软件中坐标变换的功能，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。

附图说明

图1是本发明计算机辅助装调方法的流程图；

图2是本发明实施例中某光学系统的设计光路图；

图3是本发明实施例中某光学系统光机结构旋转90度示意图；

图4是本发明实施例中某系统的光机结构三维模型示意图；

图5是本发明实施例中某光学系统安装固定和调整机构设计示意图；

图6是本发明实施例中得到的灵敏度矩阵构成示意图；

图7是本发明实施例中某光学系统实际检测光路仿真建模后的布局图；

图8是本发明实施例中某光学系统五个视场十个自由度的灵敏度矩阵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

为实现光学系统计算机辅助装调工程化应用，达到根据失调量的计算值对光学元件进行空间位置误差校正的目的，在失调量解算时就考虑到了装调检测光路与设计光路的不同、光学元件实际安装和调整机构与光学系统设计中的理想结构的不同，本发明直接实用装调检测的自准直干涉检测光路中干涉仪的波像差测量结果，解算出光学元件实际调整机构对应的调整量值，以提高光学系统装调的准确度和装调效率。本发明首先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走向是在竖直面内还是在水平面内，得到与实际检测光路相同的光学与按键布局；然后利用公知的光学设计软件中坐标变换的功能，实现光学元件失调时岁对应的旋转点与工程中的旋转点相一致。

该方法的流程如图1所示，下面以某一具体的光学系统的装调为例对本发明的具体实施方式进行详细说明。

1.以光学系统和光机结构设计定型后作为本发明光学系统装调的设计输入，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。

常见的竖直方向折叠光路的光学系统在装调时选择在水平光路内进行装调就需要旋转，而选择不同的装调检测光路所在面与水平面的关系决定了系统建模时建模模型的建立。例如某光学系统的设计文件如图2所示，y轴如果竖直向上则系统在竖直面内折叠光路，如果按此装调该系统则在实际装调时不利于干涉仪和标准平面反射镜的安装摆放，因此需要在实际装调时将光学系统平放，如图3所示。如果认为y轴为水平方向，在系统在水平面内折叠光路，干涉仪和标准平面反射镜易于摆放，但是干涉仪的测量系统的水平轴为x轴，因此测量出的波像差与设计文件中进行分析时的波形差不同，不能直接使用。

2.按照传统灵敏度分析方法分析各元件的灵敏度，结合光学元件结构尺寸和重量，选择系统中基准元件和需调整元件的自由度。

一般光学系统中结构尺寸较大、重量较重的元件不易于进行调整，选其作为基准，其他光学元件从姿态和位置上向基准靠拢。

3.根据步骤2中选取的基准元件和调整元件，设计调整基准的固定形式和需调整元件自由度的调整机构，如图5所示。

下面以某系统的光机结构三维模型为例进行说明，如图4所示，该系统包括主镜1、折镜2和镜筒3，其中主镜的体积和重量在所有镜子中是最大的，选择主镜1作为系统调整的基准镜，其位置和姿态保持固定，直接安装固定在镜筒3上。同时，折镜2起到折叠光路的作用，无光焦度，利用经纬仪调整其法线方向与作为基准的主镜的光轴成45度夹角后也保持固定。

如图5所示，该系统的调整结构包括镜筒固定工装4、次镜夹持机构5、次镜五维调整支架6、四镜夹持机构7和四镜五维调整支架8，选择次镜和四镜作为调整元件，每个镜子的三维平移和俯仰、摇摆两维旋转共五个自由度进行调整。它们各自的调整工装由五维调整架和镜子的夹持结构组成。为保证系统建模时旋转点选择的准确性，对调整机构在结构上使光学元件移动的旋转轴进行准确定位。

4.对装调检测光路进行建模。

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功能实现与装调检测光路一致的双向光路模型，并保证需调整光学元件的失调形式与调整机构调整方式相一致。建模后的光学系统如图7所示，包括标准平面反射镜9(用以构成自准反射光路)、四镜10、四镜调整工装11、主镜1、折镜2、实光阑12、次镜13和次镜调整工装14，模型从干涉仪出射的平行光束开始，包含了正向和反向光路，并且各需要进行调整的自由度的旋转点进行了移动，并与调整机构的结构保持一致。

5.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，按照这时的失调形式建立灵敏度矩阵m，m的构成如图6所示，具体的建立过程如下：

a.对步骤4中的光路实际建模模型中的各调整自由度按照实际失调形式分别引入失调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，本实施例中波像差数值以zernike系数中代表初级像差的系数代表，为zernike系数的第4至第9项。

b.将步骤a中得到失调后的zernike系数与理想状态下的zernike系数相减得到变化量δzm(m代表不同视场、不同zernike系数)，利用差商代替微商，计算δzm/δxn得到灵敏度矩阵m，矩阵m中的各项分别代表单位失调量引起的某视场的某一zernike系数的变化量。

6.对所建立的灵敏度矩阵进行分析，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。

条件数是线性方程组ax＝b的解对b中的误差或不确定度的敏感性的度量。数学定义为矩阵a的条件数等于a的范数与a的逆的范数的乘积，即cond(a)＝∥a∥·∥a^-1∥。条件数事实上表示了矩阵计算对于误差的敏感性。对于线性方程组ax＝b，如果a的条件数大，b的微小改变就能引起解x较大的改变，数值稳定性差。如果a的条件数小，b有微小的改变，x的改变也很微小，数值稳定性好。

具体的光学系统，图8中的系统灵敏度矩阵记为m，其条件数cond(m)＝1125，而次镜五个自由度组成的灵敏度矩阵记为m2，其条件数cond(m2)＝15.426，四镜五个自由度组成的灵敏度矩阵记为m4，其条件数cond(m4)＝15.9436，由于系统灵敏度矩阵条件数较大，利用系统灵敏度矩阵计算出的次镜和四镜失调量与实际偏离较大，因此将灵敏度矩阵进行分组形成次镜五个自由度组成的灵敏度矩阵m2和四镜五个自由度组成的灵敏度矩阵m4，分别利用m2和m4计算次镜和四镜的失调量。

7.搭建自准直干涉检测光路，监测实际检测系统的多视场波像差。

8.根据检测结果判断多视场波像差确定的系统像质是否满足要求，若满足要求则结束装调，若不满足则进入步骤9。

光学系统波像差综合了光学系统设计、光学系统各元件面形偏差以及光学元件失调等多种因素。系统像质通过系统出瞳处的波像差进行定量描述。波像差可以利用波面的峰谷值(peaktovalley，简称pv值)来衡量，也可以用均方根值(rootofmeansquare，简称rms值)来衡量。出瞳处的波像差数值越大表明系统像质越差。当系统波像差的rms值小于1/14λ(λ为系统中心波长)时可以认为系统成像完善。

9.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，结合步骤7中得到的多视场波像差数据(表现为zernike系数)直接解算各组失调量自由度的失调量数据，然后按照计算结果先后对各分组的失调自由度进行相应调整，并返回到步骤7，直至多视场波像差确定的系统像质满足要求。

本发明基于实际光学系统装调检测光路进行计算机辅助装调，使得装调模型更接近于光学系统的实际装调过程，将计算结果直接用于光学系统的精密调整，能够直接得出光学元件调整机构的调整量值和方向，解决了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应用到失调量计算过程所造成关键像差的符号和方向错位的弊端。提高了计算机辅助装调的准确性和实用性，并提高了计算机辅助装调光学系统的效率。