CN104036071B - 大动态范围光学系统计算机辅助装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大动态范围光学系统计算机辅助装调方法，该方法包括以下步骤：1)计算并建立待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库；2)根据步骤1)中所建立的待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库以及待装调光学系统不同视场的像差测量值获取待装调光学系统各自由度调整量的计算结果；3)根据步骤2)中的装调光学系统各自由度调整量的计算结果对装调光学系统的各自由度进行调整。本发明提出了一种可实现大动态范围光学系统计算机辅助装调、能降低对失调光学系统粗装调的要求的大动态范围光学系统计算机辅助装调方法。

Description

大动态范围光学系统计算机辅助装调方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种大动态范围光学系统计算机辅助装调方法，尤其涉及一种基于蒙特-卡罗法和动态数据交互的大动态范围光学系统计算机辅助装调方法。

背景技术

计算机辅助装调就是通过对待装调光学系统的波像差进行实时检测，并通过计算方法对得到的波像差进行处理和优化，给出系统各个光学元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使光学元件回到其实际的最佳位置，使光学系统成像质量以及各元件的相互位置可以接近于理论设计指标。

目前计算机辅助装调过程主要采用灵敏度矩阵法，其近似认为待装调光学系统像差与调节量之间为线性关系，即它们之间可以表示为下式：

A×ΔX+H＝ΔF (1)

式中，A为灵敏度矩阵，ΔX为待装调光学系统主镜和次镜的自由度调整量，ΔF为系统不同视场像差偏差，H为噪声，通过对(1)式求解可得到系统调整量。该方法具有以下缺点：

1)由于灵敏度矩阵A为奇异矩阵，(1)式没有精确解，利用传统的最小二乘法，求解的结果对灵敏度矩阵性质的要求比较高，且失调光学系统各光学元件自由度调整量之间的近似相关性，都会导致解的收敛性无法满足。

2)常规的灵敏度矩阵法是在线性近似的前提下进行计算，其在以系统理论基准点(各视场波像差最小)为中心的很小范围内，(1)式求解的结果才能保持很好的收敛性，故其动态范围很小。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种可实现大动态范围光学系统计算机辅助装调、能降低对失调光学系统粗装调的要求的大动态范围光学系统计算机辅助装调方法。

本发明采用的技术解决方案是：本发明提供了一种大动态范围光学系统计算机辅助装调方法，其特殊之处在于：所述大动态范围光学系统计算机辅助装调方法包括以下步骤：

1)计算并建立待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库；

2)根据步骤1)中所建立的待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库以及待装调光学系统不同视场的像差测量值获取待装调光学系统各自由度调整量的计算结果；

3)根据步骤2)中的装调光学系统各自由度调整量的计算结果对装调光学系统的各自由度进行调整。

上述步骤1)的具体实现方式是：

1.1)通过蒙特-卡罗法生成待装调光学系统各自由度调整变量的正态分布的随机数；

1.2)通过DDE建立计算机辅助装调方法与ZEMAX软件的动态数据交互，并通过DDE将各自由度调整变量的正态分布的随机数反馈到ZEMAX软件中；

1.3)以待装调光学系统各自由度调整变量随机数为基准点，计算并建立待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库。

上述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)输入待装调光学系统不同视场的像差测量值；所述待装调光学系统n个视场、m个调节自由度变量、阻尼因子P以及迭代次数j；所述阻尼因子0＜P＜i，所述i是大于0的整数；

2.2)计算待装调光学系统像差测量值与随机失调点的理论像差值偏差的平方和S；

2.3)寻找满足步骤2.2)中待装调光学系统像差测量值与随机失调点的理论像差值偏差的平方和S的最小的随机失调点，在步骤1)中所建立的待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库中确定最佳灵敏度矩阵B；

2.4)对步骤2.3)所确定得到的最佳灵敏度矩阵B进行Gram-schmidt正交化处理得到矩阵B′，矩阵B′中列向量彼此正交，保证列之间的非相关性；

2.5)计算待装调光学系统各自由度调整量ΔX；待装调光学系统各自由度调整量ΔX的计算方式是：

B′×ΔX＝ΔF

其中：

ΔF为待装调光学系统像差测量值与理论值的偏差；

2.6)通过DDE将步骤2.5)中所计算得到的待装调光学系统各自由度调整量反馈到ZEMAX软件中，获取待装调光学系统在调整后的像差；

2.7)计算待装调光学系统在调整后的像差与理论像差的偏差平方和MFi；

2.8)判断MFi是否最小；若否，阻尼因子P的值加1，重新选择灵敏度因子，并执行步骤2.4)至步骤2.8)；若是，确定待装调光学系统最佳调整量和像差残余量；同时将迭代次数j的值加1，同时执行步骤2.4)至步骤2.8)；

2.9)完成迭代次数的计算，输出待装调光学系统各自由度调整量的计算结果。

本发明的优点在于：

本发明提供了一种大动态范围光学系统计算机辅助装调方法，该方法通过动态数据交互(DDE)将其与ZEMAX软件进行动态数据交互，同时通过蒙特-卡罗法实现了大动态范围计算机辅助装调；本发明实现了试验与仿真的相结合，从而极大的提高了计算结果的准确度；降低了对待装调光学系统粗装调的要求；重复性好，计算结果置信度高；改善了非线性问题处理时局部解的收敛性，并提高了收敛速度。

附图说明

图1是本发明所提供的大动态范围光学系统计算机辅助装调方法的流程图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种大动态范围光学系统计算机辅助装调方法，该方法结合常规的灵敏度矩阵法小范围快速收敛和采用蒙特卡-洛法处理非线性问题动态范围大的优点，具体而言，该方法包括以下步骤：

1)预处理模块：

Step1：通过蒙特-卡罗法生成待装调光学系统各自由度调整变量的正态分布的随机数；

Step2：通过DDE建立计算机辅助装调方法与ZEMAX软件的动态数据交互，并通过DDE将各自由度调整变量的正态分布的随机数反馈到ZEMAX软件中；

Step3：以各自由度调整变量随机数为基准点，计算并建立待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库；

2)计算主模块：

Step4：输入待装调光学系统不同视场的像差测量值；

Step5：设置视场个数n、调节自由度变量个数m、阻尼因子P的范围为(0～i，i为大于0的整数)和迭代次数j；

Step6：计算待装调光学系统像差测量值与随机失调点的理论像差值偏差的平方和S；

Step7：寻找满足S最小的随机失调点，从而在灵敏度矩阵数据库中确定最佳灵敏度矩阵B；

Step8：对灵敏度矩阵B进行Gram-schmidt正交化处理得到矩阵B′，矩阵B′中列向量彼此正交，保证了列之间的非相关性；

Step9：计算待装调光学系统各自由度调整量ΔX；待装调光学系统各自由度调整量ΔX的计算方式是：

B′×ΔX＝ΔF

其中：

ΔF为待装调光学系统像差测量值与理论值的偏差；

Step10：通过DDE将待装调光学系统各自由度调整量反馈到ZEMAX软件中，获取系统调整后的像差；

Step11：计算系统调整后的像差与理论像差的偏差平方和MFi；

Step12：判断MFi是否最小；

Step13：如果MFi不是最小，i加1，重新选择灵敏度因子，并从step8执行到Step12；如果MFi最小，确定待装调光学系统最佳调整量和像差残余量。迭代次数j加1，再从step8执行到Step13；

Step14：完成迭代次数的计算，输出待装调光学系统各自由度调整量的计算结果。

3)根据步骤2)中的装调光学系统各自由度调整量的计算结果对装调光学系统的各自由度进行调整。

通过理论仿真分析，此方法极大的提高了计算机辅助装调的动态范围，并保证了求解结果的收敛性。

Claims (1)

1.一种大动态范围光学系统计算机辅助装调方法，其特征在于：所述大动态范围光学系统计算机辅助装调方法包括以下步骤：

1)计算并建立待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库；

2)根据步骤1)中所建立的待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库以及待装调光学系统不同视场的像差测量值获取待装调光学系统各自由度调整量的计算结果；

3)根据步骤2)中的装调光学系统各自由度调整量的计算结果对装调光学系统的各自由度进行调整；

步骤1)的具体实现方式是：

1.1)通过蒙特-卡罗法生成待装调光学系统各自由度调整变量的正态分布的随机数；

1.2)通过DDE建立计算机辅助装调方法与ZEMAX软件的动态数据交互，并通过DDE将各自由度调整变量的正态分布的随机数反馈到ZEMAX软件中；

1.3)以待装调光学系统各自由度调整变量随机数为基准点，计算并建立待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库；

步骤2)的具体实现方式是：

2.1)输入待装调光学系统不同视场的像差测量值；所述待装调光学系统n个视场、m个调节自由度变量、阻尼因子P以及迭代次数j；所述阻尼因子0＜P＜i，所述i是大于0的整数；

2.2)计算待装调光学系统像差测量值与随机失调点的理论像差值偏差的平方和S；

2.3)寻找满足步骤2.2)中待装调光学系统像差测量值与随机失调点的理论像差值偏差的平方和S的最小的随机失调点，在步骤1)中所建立的待装调光学系统随机失调点的灵敏度矩阵数据库中确定最佳灵敏度矩阵B；

2.4)对步骤2.3)所确定得到的最佳灵敏度矩阵B进行Gram-schmidt正交化处理得到矩阵B′，矩阵B′中列向量彼此正交，保证列之间的非相关性；

2.5)计算待装调光学系统各自由度调整量ΔX；待装调光学系统各自由度调整量ΔX的计算方式是：

B′×ΔX＝ΔF

其中：

ΔF为待装调光学系统像差测量值与理论值的偏差；

2.6)通过DDE将步骤2.5)中所计算得到的待装调光学系统各自由度调整量反馈到ZEMAX软件中，获取待装调光学系统在调整后的像差；

2.7)计算待装调光学系统在调整后的像差与理论像差的偏差平方和MF_i；

2.8)判断MF_i是否最小；若否，阻尼因子P的值加1，重新选择灵敏度因子，并执行步骤2.4)至步骤2.8)；若是，确定待装调光学系统最佳调整量和像差残余量；同时将迭代次数j的值加1，同时执行步骤2.4)至步骤2.8)；

2.9)完成迭代次数的计算，输出待装调光学系统各自由度调整量的计算结果。