CN109031659A - 一种同轴光学***的计算机辅助装调方法 - Google Patents

一种同轴光学***的计算机辅助装调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同轴光学***的计算机辅助装调方法，包括以下步骤：S1：建立待装调光学***的光学模型并沿光路方向分别建立n个光学子***，第n个光学子***包括光学元件1～n；S2：选取各光学子***的像面位置并通过仿真分析得到理想波前像差；S3：对第n个光学子***中的光学元件n引入位置偏差量得到模拟波前像差；S4：采用灵敏度矩阵公式分别求解各个光学子***对应的灵敏度矩阵；S5：利用灵敏度矩阵及实际波前像差求解第n个光学子***中光学元件n的实际位置偏差量，并对该光学元件进行调节，以逐次完成n个光学子***的装调；本发明可避免各个光学元件在调节过程中的位置相互补偿问题，加快装调过程中的收敛速度，提高装调精度和装调效率。

Description

一种同轴光学***的计算机辅助装调方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种基于灵敏度矩阵法的 高精度同轴光学***的计算机辅助装调方法，可应用于光学***的精密装 调和成像质量提升。
背景技术
传统的光学***装调主要依靠装调人员的经验，借助简单的装调设备 完成，存在盲目性大、装调周期长、精度低等缺点，不适合大口径或接近 衍射极限光学***的装调。随着计算机技术、光学设计和光学检测技术的 不断发展，使得计算机辅助装调光学***成为可能。随着高精度光学*** 应用需求日益增加，光学***的性能也在向更高质量、更高性能的方向发 展；复杂光学***的装调成为当今光学先进制造领域的热门，基于计算机 辅助装调的光学元件面形、光波波前的干涉测量法、计算机优化等相关技 术等亦应运而生。
实际的光学***不同于理想的光学子***，主要有如下几方面的误差: 一是光学设计所带来的***误差；二是光学元件加工后的残留误差，包括 尺寸、面形等；三是装调误差；其中，光学设计误差和加工误差作为*** 误差在光学元件成型后是无法消除的，为了提高光学***的成像质量只能 尽量减小装调误差；计算机辅助装调能够对由光学***各个元件相对位置 偏差产生的波前像差进行修正，目前绝大多数光学***的计算机辅助装调 方法都是采用灵敏度矩阵法：光学***的波前像差主要是***内的光学元 件位置失调引起的，因而可用光学元件失调量表征光学***像差(ΔF＝AΔx, ΔF为***的实际波前像差与理想波前像差的差值，多采用泽尼克Zenike 系数的差值表示；Δx为***中各光学元件的实际位置与理想位置的差值， 即需要求解的失调量，A为灵敏度矩阵，可利用Zemax等光学设计软件， 分别给定各光学元件的失调量，根据泽尼克系数与元件失调量的比值求出)， 在求得光学***灵敏度矩阵以及测得光学***的像差后即可求解光学元件 位置失调量；
但是现有的灵敏度矩阵法存在以下缺点：对于光学元件在轴向上的移 动，前一个元件的正向位移和下一个元件的负向位移所表征的光学元件间 隔是相同的，因而前后两个光学元件在不同方向上的轴向移动可产生相同 的相差。由于两个或几个不同的光学元件组合同样可产生相同的相差，这 就使得***装调时光学元件在轴向上产生近似相关的现象，而现有的灵敏 度矩阵法难以解决光学元件位置相互补偿造成的***装调不收敛，导致计 算机辅助效率和精度的下降。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种同轴光 学子***的计算机辅助装调方法，其目的在于解决常规的装调方法无法解 决光学元件位置相互补偿造成的***装调不收敛，导致装调精度降低、装 调效率下降的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种同轴光学*** 的计算机辅助装调方法，包括以下步骤：
S1：在光学设计软件中建立待装调光学***的光学模型并沿光路方向 对光学模型中的n个光学元件按序进行编号；根据编号顺序分别建立n个 光学子***，第n个光学子***包括光学元件1～n，各光学元件的相对位置 保持不变；其中，n为大于等于1的自然数；
S2：选取第n个光学子***的像面位置，并通过仿真分析得到第n个 光学子***的理想波前像差F0n；
S3：对第n个光学子***中的光学元件n引入不大于粗装调精度的位 置偏差量Δxns，利用光学设计软件对引入模拟位置偏差量Δxns后的光学子系 统进行仿真分析，得到第n个光学子***中像面的模拟波前像差Fns；
S4：根据模拟位置偏差量Δxns、理想波前像差F0n和模拟波前像差Fns， 采用灵敏度矩阵公式分别求解第n个光学子***对应的灵敏度矩阵并提取 光学元件n的灵敏度矩阵An；
An＝(Fns-F0n)/Δxns；
S5：按照光学子***的编号顺序，利用光学元件n的灵敏度矩阵An对 第n个光学子***进行公差分析，以第n个光学子***的物面和已装调好 的光学元件1～n-1为基准确定第n个光学子***的像面位置，并根据公差分 析结果对第n个光学子***中的光学元件n进行粗装调；
S6：利用波前传感器测量得到粗装调后的第n个光学子***像面的实 际波前像差Fn；
S7：由灵敏度矩阵An、实际波前像差Fn和理想波前像差F0n反解得 到光学元件n的位置偏差量Δxn以及偏差类型；
Δxn＝(Fn-F0n)/An
S8：根据计算得到的光学元件n的位置偏差量Δxn和偏差类型对应调节 第n个光学子***中的光学元件n的位置；
S9：利用波前传感器再次测量第n个光学子***像面的实际波前像差 Fn，并判断该实际波前像差Fn与理想波前像差F0n的偏差是否在允许范围 内，若是，则光学元件n装调完成；若否，则返回步骤S6；
S10：按步骤S5～S9的方法，依次完成对光学子***n中的光学元件 1～n的装调。
优选的，上述计算机辅助装调方法，还包括以下步骤：
S11：完成光学元件1～n的装调后，通过波前传感器检测判断光学子系 统n是否满足成像质量要求，若是，则完成整个光学***装调；若否，则 重复上述步骤S5～S10的装调过程。
优选的，上述计算机辅助装调方法，其位置偏差量的类型包括X轴偏 心、X轴倾斜、Y轴偏心、Y轴倾斜、与前一个光学元件的间隔距离；对 于第一个光学子***，所述间隔距离为光学元件1到物面的距离。
优选的，上述计算机辅助装调方法，其波前传感器采用相移干涉仪实 现。
优选的，上述计算机辅助装调方法，其灵敏度矩阵采用的Zenike系数 为条纹Zenike系数或标准Zenike系数。
优选的，上述计算机辅助装调方法，其特征在于，所述Zenike系数为 37项。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：
本发明提供的一种同轴光学子***的计算机辅助装调方法，针对同轴 光学***中的多个光学元件进行编号，根据编号顺序分别建立n个光学子 ***，其中第n个光学子***包括光学元件1～n；分别设计各个子***的灵 敏度矩阵，根据各光学子***对应的灵敏度矩阵按照光路顺序依次对每个 光学元件进行调整，使其位置偏差量落入误差允许范围内，第n个光学元 件的位置调整以已装调好的第1～n-1个光学元件为基准，可以避免各个光学 元件在传统灵敏度矩阵法调节过程中的位置相互补偿问题，加快装调过程 中的收敛速度，提高装调精度和装调效率；同时解决了各光学元件存在轴 向平移时无法装调的问题，在保证光学***有较好成像质量的同时保证光 学***中各个光学元件的同轴精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的待装调光学***的光学模型示意图；
图2是本发明实施例提供的三个光学子***的结构示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1、2、 3-透镜，4-相移干涉仪，5、7-补偿器，6-标准平面反射镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。
本发明所提供的一种同轴光学子***的计算机辅助装调方法，包括以 下步骤：
S1：在光学设计软件中建立待装调光学***的光学模型并沿光路方向 对光学模型中的n个光学元件按序进行编号；根据编号顺序分别建立n个 光学子***1～n，第n个光学子***包括光学元件1～n且各光学元件的相对 位置保持不变；其中，n为大于等于1的自然数；
S2：选取第n个光学子***的像面位置，并通过仿真分析得到第n个 光学子***对应的理想波前像差F0n；
S3：对第n个光学子***中的光学元件n引入不大于粗装调精度的模 拟位置偏差量Δxns，利用光学设计软件对引入模拟位置偏差量Δxns后的各光 学子***进行仿真分析，得到第n个光学子***中像面的模拟波前像差Fns；
S4：根据模拟位置偏差量Δxns、理想波前像差F0n和模拟波前像差Fns， 采用灵敏度矩阵公式分别求解第n个光学子***对应的灵敏度矩阵并提取 光学元件n的灵敏度矩阵An；
An＝(Fns-F0n)/Δxns；
用Fj(j＝1,2,…,m)表示光学***的波前像差，各光学元件的位置偏差量 参数用xi(i＝1,2,…,n)表示，其中，m代表Zenike系数的项数；光学***的 波前像差与光学元件的位置关系可用下式表示，
其中，Fj＝fj(x1,…,xn)表征具体某一波前像差与光学元件的位置关系；采用泰勒公式对公式(1)进行展开，取常数项和一次项来近似求解Fj＝fj(x1,…,xn) 的准确函数：
F0j是光学***设计完成后的理想波前像差，x01,…,x0n是光学元件的理想位 置，Fj为当前***的实际波前像差，x1,…,xn为各光学元件的实际位置，δfj/δx1为某一像差对位置参数的一阶偏导数的差分表示，最终可根据上述方程组 求解出光学元件n的灵敏度矩阵：
S5：按照步骤S3～S4的方法，分别得到光学子***1～n对应的灵敏度 矩阵A1～An；
S6：按照光学子***的编号顺序，利用光学元件n的灵敏度矩阵An对 第n个光学子***进行公差分析，以第n个光学子***的物面和已装调好 的光学元件1～n-1为基准确定第n个光学子***的像面位置，并根据公差分 析结果对第n个光学子***中的光学元件n进行粗装调；
S7：利用波前传感器测量得到粗装调后的第n个光学子***像面的实 际波前像差Fn；
S8：由灵敏度矩阵An、实际波前像差Fn和理想波前像差F0n反解得 到光学元件n的位置偏差量Δxn以及偏差类型；
Δxn＝(Fn-F0n)/An
S9：根据计算得到的光学元件n的位置偏差量Δxn和偏差类型对应调节 第n个光学子***中的光学元件n的位置；
S10：利用波前传感器再次测量第n个光学子***像面的实际波前像差 Fn，并判断该实际波前像差Fn与理想波前像差F0n的偏差是否在允许范围 内，若是，则光学元件n装调完成；若否，则返回步骤S7；
S11：按步骤S6～S10的方法，依次完成对光学子***n中的光学元件 1、2、…、n的装调；
S11：完成光学元件1～n的装调后，通过波前传感器检测光学子***n 的波前像差并判断是否满足成像质量要求，若是，则完成整个光学***装 调；若否，则重复上述步骤S5～S10的装调过程。
在一个优选的实施例中，位置偏差的类型包括X轴偏心、X轴倾斜、 Y轴偏心、Y轴倾斜、与前一个光学元件的间隔距离；对于第一个光学子 ***，该间隔距离为光学元件1到物面的距离；
在一个优选的实施例中，光学设计软件采用Zemax软件实现；
在一个优选的实施例中，波前传感器采用相移干涉仪实现；
在一个优选的实施例中，灵敏度矩阵采用的Zenike系数为条纹Zenike 系数，其项数为37项；
下面通过具体的实施例对本发明提供的计算机辅助装调方法进行说明；
本实施例提供的计算机辅助装调方法，包括以下步骤：
S1：在光学设计软件Zemax中建立待装调的激光远场准直***的光学 模型，如图1所示，该激光远场准直***包括相移干涉仪4，补偿器5、7， 透镜1，2，3和标准平面反射镜6；其中，补偿器7和平面反射镜6用于使 光路原路返回，补偿器5是用于调整光束口径；相移干涉仪4作为波前传 感器用于测量光学***的波前像差；
如图2所示，按照光路方向对三个透镜进行编号，记为透镜1、透镜2 和透镜3；根据编号顺序分别建立3个光学子***M1、M2、M3，如图2所示，第1个光学子***M1包括透镜1，第2个光学子***M2包括透镜1和透镜2，第3个光学子***M3包括透镜1、透镜2和透镜3；各光学子 ***中透镜1、透镜2和透镜3的相对位置不变；
S2：根据光学子***M1、M2、M3的结构和成像特点合理选取像面位 置，并通过仿真分析分别得到各个光学子***的理想波前像差F01、F02、 F03；
S3：分别对光学子***M1中的透镜1、光学子***M2中的透镜2、 光学子***M3中的透镜3引入不大于粗装调精度的位置偏差量Δx1s、Δx2s、 Δx3s，利用光学设计软件Zemax分别对引入模拟位置偏差量后的各光学子 ***进行仿真分析，得到各光学子***中像面的模拟波前像差F1s、F2s、 F3s；
S4：根据模拟位置偏差量Δx1s、理想波前像差F01和模拟波前像差F1s， 采用灵敏度矩阵公式求解光学子***M1中的透镜1的灵敏度矩阵A1；按 照同样的方法分别求出光学子***M2中的透镜2的灵敏度矩阵A2，光学 子***M3中的透镜3的灵敏度矩阵A3；
其中，求解灵敏度矩阵优选采用的Zenike系数为37项，也可采用Zenike 系数的前9项作为初级像差来求解灵敏度矩阵；该Zenike系数为条纹Zenike 系数(与相移干涉仪4相匹配)；
表1所示为光学子***M1的灵敏度矩阵A1；表2所示为光学子*** M2的灵敏度矩阵A2；表3所示为光学子***M3的灵敏度矩阵A3；
表1光学子***M1的灵敏度矩阵A1
表2光学子***M2的灵敏度矩阵A2
表3光学子***M3的灵敏度矩阵A3
以上各表中，DX代表光学元件沿X轴方向上的偏心；DY代表光学元 件沿Y方向的偏心；DZ代表光学元件沿Z方向的间隔(即与前一个光学 元件的间隔距离)；TX代表光学元件绕X轴的倾斜；TY代表光学元件绕 Y轴的倾斜；
S5：利用灵敏度矩阵A1对光学子***M1进行公差分析，以光学子系 统M1的物面为基准确定光学子***M1的像面位置，并根据公差分析结果 对光学子***M1中的透镜1进行粗装调；
S6：利用相移干涉仪4测量得到粗装调后的光学子***M1像面的实际 波前像差F1；
S7：由灵敏度矩阵A1、实际波前像差Fn和理想波前像差F0n反解得 到透镜1的位置偏差量Δx1以及偏差类型；
Δx1＝(F1-F01)/A1
S8：根据计算得到的透镜1的位置偏差量Δx1和偏差类型对应调节光学 子***M1中的透镜1的位置；
S9：利用波前传感器再次测量光学子***M1像面的实际波前像差F1， 判断实际波前像差F1与其原始波前像差F01的偏差是否在允许范围内，若 是，则透镜1装调完成；若否，则返回步骤S6；
表4光学子***M1中透镜1的失调量变化
迭代次数 DX DY DZ TX TY
1 0.1181 -0.1684 0.1597 0.0898 0.1798
2 0.0019 -0.0016 -0.0097 0.0002 0.0002
3 1.6×10-5 -0.8×10-5 0.16×10-6 0.18×10-5 0.36×10-5
表4所示为透镜1的位置调节的迭代次数与位置偏差量变化关系，从 表4中可知，随着调节次数的增加，透镜1的各位置偏差量逐渐减小，经 过三次反馈调节后，透镜1的各个位置偏差量均降至10-5数量级，位置装调 精度高。
S10：利用灵敏度矩阵A2对光学子***M2进行公差分析，以光学子 ***M2的物面、已装调好的透镜1为基准确定光学子***M2的像面位置， 并根据公差分析结果对光学子***M2中的透镜2进行粗装调；
S11：利用相移干涉仪4测量得到粗装调后的光学子***M2像面的实 际波前像差F2；
S12：由灵敏度矩阵A2、实际波前像差F2和理想波前像差F02反解得 到透镜2的位置偏差量Δx2以及偏差类型；
Δx2＝(F2-F02)/A2
S13：根据计算得到的透镜2的位置偏差量Δx2和偏差类型对应调节光 学子***M2中的透镜2的位置；
S14：利用波前传感器再次测量光学子***M2像面的实际波前像差F2， 判断实际波前像差F2与其原始波前像差F02的偏差是否在允许范围内，若 是，则透镜2装调完成；若否，则返回步骤S11；
表5所示为透镜2的位置调节的迭代次数与失调量变化关系，从表5 中可知，随着调节次数的增加，透镜2的各个位置偏差量逐渐减小，经过 三次反馈调节后，透镜2的位置偏差DY、TX均降至10-4数量级，DZ降 至10-5数量级，DX和TY的偏差量降为0，说明本实施例提供的装调方法 的装调精度高。
表5光学子***M2中透镜2的失调量变化
迭代次数 DX DY DZ TX TY
1 0.1395 0.1246 0.1585 -0.1953 -0.0995
2 0.0005 -0.0046 -0.0037 -0.0048 -0.0004
3 0 0.685×10-4 -0.13×10-5 0.839×10-4 0
S15：按步骤S10～S14的方法，对光学子***M3中透镜3的位置进行 装调；
表6所示为透镜3的位置调节的迭代次数与失调量变化关系，从表6 中可知，随着调节次数的增加，透镜3的各个位置偏差量逐渐减小，经过 两次反馈调节后，透镜3的位置偏差DY、DX均降至0，经过三次反馈调 节后，其位置偏差DZ、TX和TY也降至0，说明本实施例提供的装调方法 的装调精度高。
表6光学子***M3中透镜3的失调量变化
迭代次数 DX DY DZ TX TY
1 0.1700 0.0600 0.0452 0.1801 -0.1504
2 0 0 0.1548 -0.0001 0.0004
3 0 0 0.14 0 0
4 0 0 0 0 0
S16：完成透镜3的装调后，通过相移干涉仪4检测判断光学子*** M3是否满足成像质量要求，若是，则完成整个光学***装调；若否，则重 复上述步骤S4～S15的装调过程。利用相移干涉仪4测量光学子***M3(即 整个光学***)像差，判断得到的结果是否与ZEMAX光学设计软件设计 的光学***像差要求一致，一致则表示满足成像质量要求。
相比于现有的计算机辅助装调方法，本发明提供的一种同轴光学子系 统的计算机辅助装调方法，针对同轴光学***中的多个光学元件进行编号， 根据编号顺序分别建立n个光学子***，其中第n个光学子***包括光学 元件1～n；分别设计各个子***的灵敏度矩阵，根据各光学子***对应的灵 敏度矩阵按照光路顺序依次对每个光学元件进行调整，使其位置偏差量落 入误差允许范围内，第n个光学元件的位置调整以已装调好的第1～n-1个光 学元件为基准，可以避免各个光学元件在传统灵敏度矩阵法调节过程中的 位置相互补偿问题，加快装调过程中的收敛速度，提高装调精度和装调效 率；同时解决了各光学元件存在轴向平移时无法装调的问题，在保证光学 ***有较好成像质量的同时保证光学***中各个光学元件的同轴精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同轴光学***的计算机辅助装调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立待装调光学***的光学模型并沿光路方向对光学模型中的n个光学元件按序进行编号；根据编号顺序分别建立n个光学子***，第n个光学子***包括光学元件1～n，各光学元件的相对位置保持不变；其中，n为大于等于1的自然数；
S2：选取第n个光学子***的像面位置，并通过仿真分析得到第n个光学子***的理想波前像差F0n；
S3：对第n个光学子***中的光学元件n引入不大于粗装调精度的位置偏差量Δxns，利用光学设计软件对引入所述模拟位置偏差量Δxns后的光学子***进行仿真分析，得到第n个光学子***中像面的模拟波前像差Fns；
S4：根据模拟位置偏差量Δxns、理想波前像差F0n和模拟波前像差Fns，采用灵敏度矩阵公式分别求解第n个光学子***对应的灵敏度矩阵并提取光学元件n的灵敏度矩阵An；
An＝(Fns-F0n)/Δxns；
S5：按照光学子***的编号顺序，利用光学元件n的灵敏度矩阵An对第n个光学子***进行公差分析，以第n个光学子***的物面和已装调好的光学元件1～n-1为基准确定第n个光学子***的像面位置，并根据公差分析结果对第n个光学子***中的光学元件n进行粗装调；
S6：利用波前传感器测量得到粗装调后的第n个光学子***像面的实际波前像差Fn；
S7：由灵敏度矩阵An、实际波前像差Fn和理想波前像差F0n反解得到光学元件n的位置偏差量Δxn以及偏差类型；
Δxn＝(Fn-F0n)/An
S8：根据计算得到的光学元件n的位置偏差量Δxn和偏差类型对应调节第n个光学子***中的光学元件n的位置；
S9：利用波前传感器再次测量第n个光学子***像面的实际波前像差Fn，并判断该实际波前像差Fn与理想波前像差F0n的偏差是否在允许范围内，若是，则光学元件n装调完成；若否，则返回步骤S6；
S10：按步骤S5～S9的方法，依次完成对光学子***n中的光学元件1～n的装调。
2.如权利要求1所述的计算机辅助装调方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S11：完成光学元件1～n的装调后，通过波前传感器检测判断光学子***n是否满足成像质量要求，若是，则完成整个光学***装调；若否，则重复上述步骤S5～S10的装调过程。
3.如权利要求1或2所述的计算机辅助装调方法，其特征在于，所述位置偏差量的类型包括X轴偏心、X轴倾斜、Y轴偏心、Y轴倾斜、与前一个光学元件的间隔距离；对于第一个光学子***，所述间隔距离为光学元件1到物面的距离。
4.如权利要求1所述的计算机辅助装调方法，其特征在于，所述波前传感器采用相移干涉仪实现。
5.如权利要求1所述的计算机辅助装调方法，其特征在于，所述灵敏度矩阵采用的Zenike系数为条纹Zenike系数或标准Zenike系数。
6.如权利要求5所述的计算机辅助装调方法，其特征在于，所述Zenike系数为37项。
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