基于阻尼最小二乘算法的计算机辅助装调方法

对于具有中心遮拦的光学系统装调,需要将获得的波前进行拟合求取低阶像差。但是Zernike圆多项式在环域上已不具有正交性,不能正确的计算低阶像差。而Zernike环多项式在环域上具有正交性,可以解决这个问题。基于阻尼最小二乘法的算法原理,运用MatLab实现了计算机辅助装调。文中对卡塞格林光学系统进行了模拟实验,验证了使用Zernike环多项式进行拟合的辅助装调程序的正确性。同时,对于辅助装调程序的应用范围也做出了分析。     

改进的灵敏度矩阵法在离轴望远镜装调中的应用

为了在较大失调范围内准确求解离轴梅逊式无焦卡塞格林望远镜元件的失调量,提出了基于改进的灵敏度矩阵模型的计算机辅助装调方法。分析了传统灵敏度矩阵法的原理及局限性,并在传统方法的数学模型中加入二次修正项,对传统计算机辅助装调技术进行了改进。针对离轴望远镜系统,分析了次镜失调状态下系统的像差特性,分别采用改进模型和传统模型对系统失调量与像差间的映射关系进行近似,并对失调望远镜系统进行仿真装调。仿真装调结果表明:在次镜偏心为±8mm、倾斜为±1.5°的失调范围内,传统方法计算得到的次镜x、y、z偏心量和α、β倾斜量均方根误差分别是:2.689mm、2.494mm、0.194mm和0.500°、0.525°;而改进方法对应的计算结果为:0.404mm、0.323mm、0.047mm和0.064°、0.065°,显示改进后的灵敏度矩阵方法的失调量求解准确度大幅优于传统方法。最终,采用改进方法对望远镜进行装调,得到了轴上视场波像差(均方根值RMS)为0.056λ(λ=632.8nm),边缘视场波像差RMS均优于0.1λ的良好装调结果。得到的结果满足设计要求。     

微缩投影系统的计算机辅助装调

为了解决主次镜结构的微缩投影系统在计算机辅助装调过程中的补偿器耦合问题,实现补偿器的合理筛选,介绍了一种基于光学系统敏感矩阵奇异值分解的计算机辅助装调算法。建立了微缩投影系统装调模型,针对算法和模型开展了计算机辅助装调实验。用光学软件CODE V建立了光学系统模型,采用零位补偿器检测获得了非球面元件面形;基于灵敏度矩阵的分析结果指导微缩投影系统优化,并将优化后的结构参数作为系统光机结构机械装配和定位的基准。新建立的系统装调模型更接近实际装调过程,能更有效地指导装调,解决了补偿器间的耦合问题,加快了装调过程的收敛。最后,基于自行研发的高精度干涉仪完成了计算机辅助装调实验。实验显示系统波像差由46.39nmRMS收敛至20.73nmRMS,验证了装调算法和模型的准确性。     

利用Zernike系数对离轴三反射系统进行计算机辅助装调

针对离轴三反光学系统检测和装调的复杂性,提出了一套结合了干涉测量技术的计算机辅助装调方法。采用多视场ZYGO干涉仪自准干涉检验各种失调量产生的残余像差,得到表征系统失调量引起残余像差的一系列Zernike系数,利用Zernike系数与Seidel像差系数之间的相关性将之转化为几何像差作为校正对象。由光学设计软件求得与系统失调量相关的灵敏度矩阵,并确定对残余像差影响最敏感的失调量。当失调量被确定后,将调整后的结果再次代入光学设计软件进行验证。多次迭代后,得到系统的RMS值0.04λ的良好结果,证明了这种指导装调的方法是行之有效的。     

消除卡塞格林系统杂光的措施

对卡塞格林系统的杂光进行了分析,并提出了消杂光的措施。     

主次镜系统的计算机辅助装调

为了实现大口径望远镜系统的装调,提高其光学成像质量,研究了望远镜装调像差和计算机辅助装调技术。首先针对RC式望远镜系统,分析了装调过程中由于次镜偏心和倾斜导致系统模型产生的扰动误差。针对实际调整过程中选择零彗差点和曲率中心作为旋转中心进行调整的特点,分析了这两个旋转点的选择对系统像差和指向精度的影响。然后结合计算机辅助装调原理,研究了关于恒定彗差、线性像散与模型相关的灵敏度矩阵的特殊形式,结合波像差理论与光学软件Code V模型仿真来实现装调技术。最后,针对1 m级望远镜系统进行了安装调整。实验结果表明:装调后系统的RMS达到了0.144 5λ,大大优于装调前的1.214λ,证实了该方法具有较好的精度、抗干扰能力和实际应用价值。     

一个新的泛卡塞格林望远镜系统

将卡塞格林系统的主镜及次镜都取球面,在焦面前加2片以上改正透镜,而将作为密封窗的平行平板的一面加4次方项,可以设计出具有相当大视场,像质优良的新光学系统。平板上的4次方非球面是凹面性质,它的制造,在周边铰支而外加均布载荷时可以加工为球面,释放均布载荷后该面即弹回成所要的4次非球面。所以,此系统从光学工艺角度看只有球面和平面。文中设计了4个不同相对口径系统:F/3,F/5,F/8,F/10。口径和视场相同:φ=300mm,2ω=1°,像质都接近或达到衍射极限。     

光学系统计算机辅助装调中的一种优化算法

如何快速、准确、稳定地确定失调量是光学系统计算机辅助装调技术的一个关键部分.本文首先进行数学建模,建立了失调量与引入像差的关系式,然后提出了求解失调量的伪逆及奇异值巩固逆算法,以解决直接按最小二乘法方程组求解所带来的数值不稳定性及解的不精确性问题.最后,利用本文所建立的数值分析模型,进行了模拟计算,计算结果表明,本文的计算方法是合理可行、有效的.     

Zemax软件在离轴三反射镜系统计算机辅助装调中的应用

利用Zemax光学设计软件与自编计算机辅助装调软件,实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的装调.通过Zemax软件模拟光学系统的失调模式,得到整个光学系统的波前像差,把波前像差代入到自编的复杂光学系统计算机辅助装调软件中,计算出光学系统的失调量,与引入的失调量对比,证明了其正确性.在实际的装调过程中,用小型球面干涉仪分别收集3个视场的干涉图,得到失调光学系统的失调量,用Zemax软件验证失调量数据的正确性,从而指导装调.按此方法,在波长λ=632.8nm时,得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差RMS值为0.108λ.该方法也可以运用到其他光学系统中.     

离轴二次非球面补偿检验计算机辅助调整技术研究

分析了非球面补偿检验过程中由补偿器和镜面支撑结构的失调引入的调整量误差,给出了计算机辅助调整方法。建立了离轴二次非球面补偿检验计算机辅助调整系统的物理数学模型,求解了被检非球面镜的失调方位和量值,利用计算机控制调整架实现了系统辅助调整。建立了实验装置,给出了模拟调整和实际调整结果。经过计算机辅助调整后,被检离轴二次非球面的最终检验结果为0.028λ(RMS)(λ=632.8 nm)。     

基于小偏转角和单表法的联轴器计算机辅助找正技术

针对传统找正方式的优缺点,寻求并推导出千分表在小偏转角的情况下计算联轴器径向偏差的几何原理.结合单表法找正技术,以小巧的上网本为编程平台,用VB实现可视化的联轴器计算机辅助找正过程,在满足大多数找正精度需要的情况下,用比激光对中仪低得多的成本实现了快速找正的目的.     

离轴三反系统的无应力装调

为了解决离轴三反光学系统装调过程中由于连接、紧固、温度变化等产生的应力导致反射镜面形和系统像质恶化的问题,提出了无应力结构设计和装调方法。采用内外框结合的方法设计反射镜组件,同时设置柔性变形环节,增加应力源与镜面间传递距离来削弱应力对反射镜面形的影响。系统框架采用非固定的定位方式,使用3个高精度钢球和相应的锥形孔、V型槽和平面底座约束框架的六自由度,通过两个基准立方镜和莱卡经纬仪监视框架的微位移,数显千分表监视反射镜六维调整架的移动和复位。经初装调和计算机辅助精装调后,系统全视场平均波像差均方根(RMS)值达到0.068λ;修垫、连接后为0.070λ,在奈奎斯特频率处的全视场平均调制传递函数(MTF)为0.720,均满足设计指标,得到的结果证明了装调方法的可行性。     

一种新的舰载惯导系统摇摆基座初始对准方法

针对舰载惯导系统在摇摆基座条件下高精度初始对准问题,提出一种简单且易于实现的快速初始对准方法。利用开路法构建数学稳定平台隔离载体摇摆运动,提高了高精度舰载惯导系统摇摆基座对准过程中量测数据的信噪比,缩短了对准时间并提高了误差参数的估计精度;建立了开路法数学平台偏角的误差模型,利用参数辨识法提取相关对准参数,从而估计出陀螺漂移和数学平台偏角并进行补偿。海上试验结果表明,该对准方法可在8 h内达到优于0.000 5°/h的对准精度,有效地解决了摇摆基座条件下舰载惯导系统的高精度初始对准问题。