光学系统计算机辅助装调方法
传统的光学装调主要靠装调人员的经验和较简单的装调工艺装备来完成,这对于通常对像质要求不高的光学系统,最终可以达到使用要求。但是,传统光学装调存在很大的盲目性,装调周期长,精度有限,因此很高程度上限制了大型复杂光学系统的高精度装调的发展。
近年来,对大口径反射式光学系统的需求日益增大,其负载的分系统也逐渐增多,多光合一的反射式光学系统成了未来发展的重要方向。因此,复杂化后的系统装调也成为新的技术要点。结合计算机技术、先进光学检测技术,使得计算机辅助装调这些大型复杂光学系统成为可能。
实际的光学系统的波前携带着许多误差,其主要来源有如下几方面:
(一)光学设计所带来的系统误差;
(二)受光学加工工艺水平的限制,所引起的半径、厚度、偏心等偏差。这些偏差在元件加工完成后就不可更改,通过测试可以知道其确定的偏差值;
(三)机械零件加工带来的误差,比如同轴度、垂直度等低于设计要求;
(四)装调误差,装配时光学元件所受应力不均匀,从而使装配进去的光学元件面形精度降低,产生位移、偏心、倾斜等。
一般来讲,光学设计的结果经过优化后其误差非常小,不会对系统有影响。真正影响系统成像质量的误差主要来源于上述的后三项。光机加工、装调中的误差可以概括为元件的厚度偏差、位移、偏心、倾斜等。所有这些加工、装调带来的误差对光学系统象质的综合影响表现为分辨率降低、畸变增大、象点的弥散斑增大、传递函数MTF降低等。
当一个元件的装调有偏差(间隔位移、偏心等),且调节比较困难时,可以利用其他元件的装调参数(间隔位移、偏心等)来补偿,以满足整个系统的象质要求。通过计算机的模拟分析得出了光学元件之间误差具有互补性。在光学系统的装调过程中可以充分利用这一特性,以计算机作为辅助手段,完成高精度要求、高成象质量光学系统的装调。计算机辅助装调可分为辅助安装、辅助调试两部分。
计算机辅助安装的方法是:
首先,测试己安装好的光学元件的偏心、间隔、厚度,将测试数据返回到计算机软件中,计算系统象质;
接着,将所有己装好的元件的间隔、偏心、倾斜等,视为不可改变的参数,未安装的元件的间隔、偏心等则作为变量,计算机优化处理,使系统象质满足要求;
最后,从优化的结果中选择比较灵敏的参数,以作为安装下一片(组)的依据。这样即使前面己安装好的光学元件存在偏差,在调整不方便的情况下,也可以通过后面元件的偏差进行补偿,最终满足成象质量要求。
对于安装完成的系统,象质如果没有达到要求,则需要对整个系统进行调试。在调试之前通常不知应该调试哪些组件,操作盲目性大。采用计算机辅助调试,可以做到有的放矢。首先将系统的原有的设计结果输入光学设计软件中(CODEV或Zemax),将系统中的可调节参量设成变量,例如镜片的空气间隔、倾斜以及旋转。然后对系统进行干涉测量,测得一个或多个视场的干涉图,将测试数据返回到光学设计软件中,光学设计软件能根据所得干涉图的像差种类和大小对系统进行调整。利用软件自身的优化功能,可以得到上述所设变量的值,预测调试补偿值,最后确定调整哪些光学元件的偏心、倾斜或位移可以得到满足成像质量要求的系统。