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光學(xué)系統(tǒng)計算機輔助裝調(diào)方法

    傳統(tǒng)的光學(xué)裝調(diào)主要靠裝調(diào)人員的經(jīng)驗和較簡單的裝調(diào)工藝裝備來完成,這對于通常對像質(zhì)要求不高的光學(xué)系統(tǒng),最終可以達到使用要求。但是,傳統(tǒng)光學(xué)裝調(diào)存在很大的盲目性,裝調(diào)周期長,精度有限,因此很高程度上限制了大型復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的高精度裝調(diào)的發(fā)展。
    近年來,對大口徑反射式光學(xué)系統(tǒng)的需求日益增大,其負(fù)載的分系統(tǒng)也逐漸增多,多光合一的反射式光學(xué)系統(tǒng)成了未來發(fā)展的重要方向。因此,復(fù)雜化后的系統(tǒng)裝調(diào)也成為新的技術(shù)要點。結(jié)合計算機技術(shù)、先進光學(xué)檢測技術(shù),使得計算機輔助裝調(diào)這些大型復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)成為可能。
    實際的光學(xué)系統(tǒng)的波前攜帶著許多誤差,其主要來源有如下幾方面:
    (一)光學(xué)設(shè)計所帶來的系統(tǒng)誤差;
    (二)受光學(xué)加工工藝水平的限制,所引起的半徑、厚度、偏心等偏差。這些偏差在元件加工完成后就不可更改,通過測試可以知道其確定的偏差值;
    (三)機械零件加工帶來的誤差,比如同軸度、垂直度等低于設(shè)計要求;
    (四)裝調(diào)誤差,裝配時光學(xué)元件所受應(yīng)力不均勻,從而使裝配進去的光學(xué)元件面形精度降低,產(chǎn)生位移、偏心、傾斜等。
 
    一般來講,光學(xué)設(shè)計的結(jié)果經(jīng)過優(yōu)化后其誤差非常小,不會對系統(tǒng)有影響。真正影響系統(tǒng)成像質(zhì)量的誤差主要來源于上述的后三項。光機加工、裝調(diào)中的誤差可以概括為元件的厚度偏差、位移、偏心、傾斜等。所有這些加工、裝調(diào)帶來的誤差對光學(xué)系統(tǒng)象質(zhì)的綜合影響表現(xiàn)為分辨率降低、畸變增大、象點的彌散斑增大、傳遞函數(shù)MTF降低等。
    當(dāng)一個元件的裝調(diào)有偏差(間隔位移、偏心等),且調(diào)節(jié)比較困難時,可以利用其他元件的裝調(diào)參數(shù)(間隔位移、偏心等)來補償,以滿足整個系統(tǒng)的象質(zhì)要求。通過計算機的模擬分析得出了光學(xué)元件之間誤差具有互補性。在光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)過程中可以充分利用這一特性,以計算機作為輔助手段,完成高精度要求、高成象質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)。計算機輔助裝調(diào)可分為輔助安裝、輔助調(diào)試兩部分。
 

    計算機輔助安裝的方法是:

    首先,測試己安裝好的光學(xué)元件的偏心、間隔、厚度,將測試數(shù)據(jù)返回到計算機軟件中,計算系統(tǒng)象質(zhì);
    接著,將所有己裝好的元件的間隔、偏心、傾斜等,視為不可改變的參數(shù),未安裝的元件的間隔、偏心等則作為變量,計算機優(yōu)化處理,使系統(tǒng)象質(zhì)滿足要求;
    最后,從優(yōu)化的結(jié)果中選擇比較靈敏的參數(shù),以作為安裝下一片(組)的依據(jù)。這樣即使前面己安裝好的光學(xué)元件存在偏差,在調(diào)整不方便的情況下,也可以通過后面元件的偏差進行補償,最終滿足成象質(zhì)量要求。
 
    對于安裝完成的系統(tǒng),象質(zhì)如果沒有達到要求,則需要對整個系統(tǒng)進行調(diào)試。在調(diào)試之前通常不知應(yīng)該調(diào)試哪些組件,操作盲目性大。采用計算機輔助調(diào)試,可以做到有的放矢。首先將系統(tǒng)的原有的設(shè)計結(jié)果輸入光學(xué)設(shè)計軟件中(CODEV或Zemax),將系統(tǒng)中的可調(diào)節(jié)參量設(shè)成變量,例如鏡片的空氣間隔、傾斜以及旋轉(zhuǎn)。然后對系統(tǒng)進行干涉測量,測得一個或多個視場的干涉圖,將測試數(shù)據(jù)返回到光學(xué)設(shè)計軟件中,光學(xué)設(shè)計軟件能根據(jù)所得干涉圖的像差種類和大小對系統(tǒng)進行調(diào)整。利用軟件自身的優(yōu)化功能,可以得到上述所設(shè)變量的值,預(yù)測調(diào)試補償值,最后確定調(diào)整哪些光學(xué)元件的偏心、傾斜或位移可以得到滿足成像質(zhì)量要求的系統(tǒng)。
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