（光学专业论文）三反射镜光学系统的计算机辅助装调技术研究.pdf

耥妻 摘要 计算毫f 鞴虢装调技术怒随着光学系绞发展两菱震越来的技术。本文曹先介绥 了计算机辅助装调技术发展背景，国内外计算机辅助激调技术的发展历史及发展 现状。总结了用于计算机辅助装调技术中的光学检测手段以及该技术的优化冀 瀵，分析了逡行计算税鞴韵装调技术的薰要往帮必要穗。 本文主要怒针对三反镜光学系统来谶行计算机辅助装调技术的研究。基于线 性代替非线性，差商代替微薄的思想，对计算规辅勋装谓技术建立了数学模型。 这个模型包含光学系统的褥健、光学系统蹬瞳波面像熬以及失调光攀系统的失调 嫩这三个方面的内容。 数学模型中番个参数戆数据获取。确是的光学系统将唯一地确定一个灵敏度 锻阵，它反映了补偿器单位位移或者单位转动其对毙掌系统酶像慧薅献。建立了 z e m i k e 系数与初级波像藏的关系，失调光学系统的出瞳波面处的像差由自准干 涉法获得，数撼由z e m i k e 蓉数表示。 完成遵向优化算法的研究。采用阻尼最小二乘法与奇异僮分解的方法来求解 失调量。阻尼锻小二乘法收敛稳定，奇昴值分解法对初始条件要求低。这两者结 会，可以准确快速地求缛失调量。通过对手涉测量数据酌谡差分析，确定了阻尼 因子加入的原瞄及方法。诧算法优于光攀设计软件c o d e v 中的装调软 孛包。 完成对三种三反镜光学系统的计算机辅助装调计算，创建三种实用的装调工 慧方法；一葶孛爨灵敏疫短辫祭 孛数法，这秘方法降低灵敏度矩阵的维数，降低摸 方程的求解难度，增加求解的准确性；第= 种是像差逐矮优化法，这萃孛方法壹接 对出瞳波面表现出的主导像差进行消除，比较简单易擞作：第三种是分组补偿器 淡，这秘方法霹以充分利髑调整极构进褥装调。 采用像麓邂项优化法，成功地装调了焦距为6 n l1 3 径6 0 0 m m 的离轴三反镱 光学系统。最终，检测波- k 丑等于6 3 2 8 n m 时，o 。视场的r m s 值达到0 0 9 4 五， 摘要 + o 7 视场r m s 值为0 1 0 6 五，一0 7 视场r m s 值为0 1 2 5 五。 关键词：计算机辅助装调技术；离轴三反镜光学系统：阻尼最小二乘法；奇 异值分解法；像差逐项优化法；失调；f i s h e r 信息矩阵 摘要 a b s t r a c t a sar e s u l to ft h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p l e xo p t i c a ls y s t e m ，t h et e c h n o l o g y o ft h ec o m p u t e r - a i d e da l i g n m e n ta t t r a c tt h ep e o p l e si n t e r e s t s t h ep a p e ri n c l u d e st h a t t h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d ，t h eh i s t o r ya n dc u r r e n td e v e l o p m e n tc o n d i t i o n so ft h e c o m p u t e r - a i d e da l i g n m e n tt e c h n o l o g y , a n dm a k e sac o n c l u s i o na b o u ti t so p t i c a l t e s t i n gm e a n sa n di t sm a t h e m a t i c a lo p t i m i z i n gm e t h o d s ，a n di ti si m p o r t a n ta n d n e c e s s a r yo fs t u d y i n gt h ec o m p u t e r - a i d e da l i g n m e n to f t h ec o m p l e xo p t i c a ls y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t st h es t u d yo f c o m p u t e r - a i d e da l i g n m e n ta b o u tal a r g e a p e r t u r e ，l o n gf o c a ll e n g t h ，w i d ef i e l d ，o f f - a x i sa s p h e r i c a lo p t i c a ls y s t e m b a s e do n t h ei d e a st h a tl i n e a r i t yi n s t e a do fn o n l i n e a r i t ya n dd i f f e r e n c eq u o t i e n ti n s t e a do f d i f f e r e n t i a lq u o t i e n t ，a n de s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h ec o m p u t e r - a i d e d a l i g n m e n t t h i sm o d ei sc o m p o s e do ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t i c a ls y s t e m ， w a v e f r o n td i f f e r e n c eo fi t se x i tp u p i la n di t sm i s a l i g n m e n to ft h em i s a l i g n e do p t i c a l s y s t e m o b t a i n i n gt h ep r a c t i c ev a l u eo fp a r a m e t e ri nt h i sm o d e li ss t u d i e d t h eo 两c a l s y s t e mc o u l dd e t e r m i n et h eu n i q u es e n s i t i v i t ym a t r i xa n di tc o u l db ec a l c u l a t e db yt h e o p t i c a ld e s i g ns o f t w a r e a n a l y z i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ez e m i k ep o l y n o m i a l s c o e f f i c i e n ta n dt h ew a v e f r o n td i f f e r e n c ea n do b t a i n i n gt h es e i d e lw a v e f r o n te r r o r e x p r e s s e db yz e m i k ec o e f f i c i e n tu s i n ga u t o c o l l i m a t i o ni n t e f f o m m n c em e t h o d s a c c o m p l i s h e dt h es t u d yo nt h er e s e r v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo f c o m p u t e r - a i d e d a l i g n m e n t b y m e r r l so ft h e d a m p l e a s t s q u a r em e t h o da n ds i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o nm e t h o d ，t h em i s a l i g n m e n to fo p t i c a ls y s t e mc o u l db ec a l c u l a t e d t h e f i r s tm e t h o dm a k ee q u a t i o n sc o n v e r g e n c eq u i c k l ya n dt h el a t t e rh a v eal o wd e m a n d f o rt h es t a r tp o i n t ，a n dc o m b i n i n gt w om e t h o d st o g e t h e rw o u l do b t a i nm i s a l i g n m e n t i l i 摘要 q u i c k l ya n da c c u r a t e l y t h e na n a l y z et h ew a v e f r o n te r r o rd a t aa n de x p l a i nt h e i n p u t t i n gc a u s eo ft h ed a m pf a c t o r t h i sa l g o r i t h mc o u l dc a l c u l a t eb e t t e rt h a nf a m o u s o p t i c a ld e s i g ns o f t w a r ec o d ev a c c o m p l i s h e d t h ea l i g n m e n tc a l c u l a t i o na b o u tt h r e et h r e e - m i r r o ro p t i c a l s y s t e ma n de s t a b l i s h e dt h r e ed i f f e r e n c ea l i g n m e n tm e t h o d s t h ef i r s tm e t h o di st h e c o n d i t i o nn u m b e ro fs e n s i t i v i t ym a t r i xm e t h o d ，i tc a nd e c r e a s et h ed i m e n s i o no f t h e s e n s i t i v i t ym a t r i xa n dd e c r e a s et h ed e g r e eo fd i f f i c u l t yo fs o l u t i o n ；t h es e c o n d a r y m e t h o di sg r a d u a la b e r r a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o d ，i tc a nd i r e c t l yr e m o v et h em a i n a b e r r a t i o ni nt h ep u p i lg r a d u a l l y ；t h e 廿l i r dm e t h o di sg r o u p i n gc o m p e n s a t o rm e t h o d i tb e n e f i t st h ea l i g n e de q u i p m e n th i g he f f i c i e n c y u s i n gg r a d u a la b e r r a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o d , a6 mf o c a ll e n g t h 6 0 0 r a m a p e r t u r eo f f - a x i sa s p h e r i c a lo p t i c a ls y s t e mi ss u c c e s s f u l l ya l i g n e d f i n a l l y , t h er e s u l t s o f0 。f i e l dw a v e f r o n te r r o ro f0 0 9 4w a v e sr m s + o 7 。f i e l do f0 10 6w a v e s r m sa n d 0 7 。f i e l do f 0 1 2 5w a v e sr m sa ta = 6 3 2 s u ma r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：c o m p u t e r - a i d e da l i g n m e n tt e c h n o l o g y ；o f f - a x i st h r e e - m i r r o ro p t i c a l s y s t e m ；d a m pl e a s ts q u a r em e t h o d ；s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ；g r a d u a la b e r r a t i o n o p t i m i z a t i o nm e t h o d ；m i s a l i g u m e n t ；f i s h e ri n f o r m a t i o nm a t r i x 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本 论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使 用( 但纯使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责 任。 长春光学精密机械与物理研究所 博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 3 年月日 莓一章绪论 第一章绪论 1 1计算机辅助装调技术的研究背景 计算机辅助装调技术就是通过对光学系统成像质量实时的检测，得到整个 光学系统的波像差，通过计算机软件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。计算机辅助装调技术的发展是光学系统设计 以及光学加工技术发展的必然结果，同时计算机辅助装调技术的发展也促进了 光学设计以及光学冷加工的进一步发展。 1 1 1 光学设计与分析软件的蓬勃发展 近年来，光学技术突飞猛进，在各个方面有了新的发展。光通讯、光学 信息处理、全息光学以及激光和光电技术等领域带动了整个光学系统的飞速 发展。世界各国在光学领域都面l 晒着前所未有的机遇和挑战。一方面是由于 社会市场的需求，以及生产力的发展，促进了不同光电仪器的发展和创新； 另一方面许多光学仪器的工作环境变的越来越苛刻，这些使光学仪器设计以 及相关的技术要求的难度更加提高。 随着计算机软硬件的发展，计算机已经成为各个行业应用最广泛的工 具。七十年代以来，光学c a d 不断发展，各种光学设计软件相继问世，并且 发展到现在相当的成熟，适用范围也非常之大。这些软件适用的范围广，可 三反射镜光学系统的计算机辅助装调技术研究 以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统，如：带有三维偏心和或倾斜的 元件的光学系统；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非 球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。有空 前强大的自动设计能力。用户只需输入所要设计的系统的使用波段、相对孔 径、视场、变倍比等参数，软件即可从自带的专利库中找出对应的结构以供 选择。软件中优化计算的评价函数可以是系统的垂轴像差、波像差或是用户 定义的其它指标，也可以直接对指定空间频率上的传递函数值进行优化。 具备各种系统分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列 图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光 束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透 过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。强大的公差分 配能力。对环境因素影响的计算。对于空间光学系统，环境因素的影响己 绝非可以忽略的因素。光学设计软件可以分析计算压力变化、温度变化以及 非均匀温度场对系统像质的影响，以便在设计阶段对其加以控制，等等。目 前国际上有多种商品化的大型光学c a d 软件，具有代表性的有o p t i c a l r e s e a r c ha s s o c i a t e s ( o r a ) 开发的c o d e v 功能强大，其应用领域民用到军用十 分广泛。美国航空航天局n a s a 的许多光学系统如h u b b l e 太空望远镜就是 采用了c o d ev 软件设计的。而z e m a x 光学设计软件由于价格便宜，功能相 对齐全，也被广泛应用。此外还有a e c o s ，l i g h t t o o l s ，a s a p , o s l o ，t r a c e p r o 等，还有我国自行开发的g o l d l 2 】，s o d 8 8 等。 强大的软件功能使得许多更先进更复杂的光学系统被设计了出来，特射 是在航天遥感与极紫外光刻等领域。 1 1 2 光学系统越来越复杂越来越先进 人类科学技术的发展程度借助于人类使用工具的程度，以及制造工具的 能力。人类无论是探索宏观领域还是微观领域，光学仪器从中起到了很大的 第一章绪论 作用。对于宏观领域，人们对宇宙的认识在不断的深入，卫星、飞船和空间 站成为空间研究和对地控测的科学平台，各国科学工作者都在致力于空间遥 感技术的研究。空间遥感光学系统作为一种探测及观察手段越来越起着重要 的作用。航天光学遥感就是将“人造眼睛”一光学系统，景于大气层以外的 平台上，对地面目标进行观测。一般平台离地高度在8 0 k m 以上，是目前常 用的遥感方式，具有居高临下、一览无余的观测效果。光学遥感主要用于国 家安全和军事目的，在资源调查、环境监测、区域分析规划、全球宏观研究 领域的应用也不断的扩大，日益改变着我们的世界观和生活方式。目前，卫 星使用技术为越来越多的国家和部门所掌握，光学遥感得到的地面图像已成 为重要的信息产品。其产品信息和性能指标对国防、军备和市场竞争起着关 键性作用，光学系统是其决定性因素之一。 对于空间遥感光学系统而言，比起地面上的光学系统有许多不同之处， 从环境上讲就有许多不同。诸如：温度变化大，处于失重状态等等。但从光 学角度看，基本上是一样的。地面物体在望远照相物镜焦面上所成的像的大 小与其焦距成正比，焦距越长，地面目标看得越清楚。然而，由于衍射效 应，点物的像不是一个点，而是一个斑，为了看清物体的细节，必须使点物 的像斑足够小，以使两相邻物点的像能分开。由于像斑的大小正比于光学系 统的f 数或相对孑l 径的倒数，因此增大焦距的同时，必须增大口径，才能保 证具有足够高的空间分辨力。另外从能量角度看，最好增大光学系统的口 径。1 3 径和焦距的增大会使光学系统的体积、质量增大，发射成本提高，光 学设计和制造难度加大。但是随着运载火箭的承载能力的提高，以及光学技 术的进步，这方面的难度也在随之降低。为了获得较高的物面分辨本领，空 间遥感光学系统一般选择长焦距，大口径的光学系统。如美国的h u b b l e 空间 望远镜口径为2 4 m 1 3 1 ，k h ，1 2 侦察相机口径为3 8 m n 。为了扩大观测目标的范 围，光学系统视场角还要尽可能的大，如测绘相机视场角为4 5 0 - 9 0 0 。 三反射镜光学系统的计算机辅助装调技术研究 科技的发展要求高质量的光学系统的产生，光学系统也因光学加工以及 相关技术的发展逐渐在发展变化。传统的一些光学系统有的被发展有的被改 进有的被取代。看一看下述几种典型的空间遥感光学系统： 1 1 2 1 折射式光学系统 折射式光学系统较适合于视场大、分辨率要求低、焦距较短及通光口径不 大的场合。 图1 0 1 是地面反射光偏振和取向特性探测仪的光学系统【5 ) ，简称p o l d e r ( p o l a r i z a t i o na n dd i r e c t i o n a l i t yo f e a r t hr e f l e c t i o n ) ，用来测量地球大气系统的反 射光的偏振和方向特性。此光学系统沿轨道方向和垂直轨道方向的视场角分别 为8 6 0 和1 0 2 0 ，地面分辨率为6 幽7 k m ，使用光波段4 4 0 8 7 0 n m ，镜头焦距 3 5 7 r a m ，相对孔径1 4 6 。采用c c d 探测器，其有效像元数为2 4 2 x 2 7 4 、像元大 小为2 7l am 3 2um 。仪器体积为8 0 c m x 5 0 c m 2 5 c m ，质量3 2 k g 。 场阑 7n 憨一纩。 滤光片 图1 0 2热红外广角镜头 - 4 - c c d i 一一1 一一 统刀= 圭心 r ， 萑| 一 谰 孑眦n h u 吲 陆心 第一章绪论 图1 0 2 是热红外广角镜头6 1 ，拍摄一次便可完成整个地球大气的热红外辐 射测量，镜头的全视场角为1 3 5 0 ，焦距为6 4 m m ，光学口径小于3 7 m m ，光学长 度小于l o o m m ，相对孔径1 ：0 8 。 一一一一一一一一j!一一 图1 0 3 折射式光学系统 早期较长焦距相机的光学系统是折射式的，俄罗斯的米级以及亚米级高分 辨率遥感光学系统采用的是折射式系统 7 。8 】。图1 0 3 是其中一种，中间负透镜用 特种火石玻璃制成，以校正二级光谱。随着分辨率要求的不断提高，要求光学 系统的焦距越来越长，对于折射系统来说，存在着一些难以克服的因难，元件 的通光口径、系统的体积、质量要相应的增大，获得大尺寸光学均匀的材料较 困难；二级光谱正比于焦距，随着焦距变长，愈难消除。目前越来越多地采用 折射一反射混合式和纯反射式结构。 1 1 2 2 折射反射式光学系统 折射一反射系统具有外形尺寸小、孔径和视场较大的长处。主要由反射镜产 生所需的光焦度，而用无光焦度的多块折射元件较正像差，扩大视场，因此， 不会带来色差。最典型的有施密特类和卡塞格林类系统。 图1 0 4 是法国s p o t 相机的光学系统p “”，每个卫星装两台，推扫工作方 式，相对孔径1 3 2 4 ，焦距为1 0 8 2 m m ，全视场角为4 1 4 0 。如图1 0 4 所示，转 动指向平面反射镜可灵活地改变地面观察视线，主镜是球面反射镜，由中心开 有小孔的平面反镜折叠光路，以减小篪密特系统的长度，用双透镜无光焦度校 正器代替经典的非球面施密特校正板，场校正器使视场为平面。 三芨瓣镜竞学攀统砖砖箕瓤辅瓣装调技术研究 强1 0 4s p o t o ”s 耀极静光学系缓汽路示意翻 潮i 0 5 是美国的c a 一9 1 0 耩祝的光学系统h 引。萁特点是光路两次通过施 密特校正器，整个系统同轴布置，外形尺寸较小。焦距、视场角和相对孔径 分别爻2 。8 m 、2 ，3 4 。灏1 5 6 。菇铃，主镜也袋爝内反射的爨金镶，光路如图 1 0 6 所示，这时光线两次通过主镜的折射西，增加了校正像差的自由度，可 进步扩大视场。不过，曼金镜对材料要求较商，加工和袋配难度较大。 图1 0 5c a 一9 0 相机的光学系统 镜 第一章姥姥 图1 0 6 主镜米用曼金锐 为了使相机的外形尺寸更加紧凑，可采用基于卡塞格林系统的折射- 反射光 学系统，图1 0 7 是美国i t e k 公司制造的l o r o p 相机光路【1 3 】。焦距为1 8 2 m ， 相对孔径1 3 6 5 ，全视场角1 9 。，分辨角3 2 “r a d 。如图1 0 8 所示，通常称为类 施密特一卡塞格林系统。折射一反射系统主要用于中等1 3 径的望远物镜，一般口 径应为4 0 0 m m ，进一步增大1 3 径，不仅对材料的要求苛刻，而且系统的质量、 体积将增大。 圉1 0 7l o r o p 相机的光学系统 三反舞| 镜光学系统杳寺计算钒辅助装堋技拳研究 么r 校正器 i ；l 像 厂7n 几 i i , 4 j l u 一 _ uu u l 面 士 施密特校正镜、 镜 j 第一章罐论 前，两镜系统在小卫星上也有使用，如美国海军的战术成像侦察卫星上的c c d 相机：如图1 0 9 所示。轵道高度为3 0 0 k i n ，地面分辨率为l m ，相祝质量程3 6 7 0 k g 之间，尺寸仅为7 5 c m x 5 2 5 c m x 2 6 c m 。两镜系统的优点是结构简单，主要 缺点是用于校正像麓的自豳参数较少，难以兼顾焦距、视场、相对孔径、体 积、痿量等多方嚣瓣要求。例如，在实际使用鲍k h 卫爨相枫暴露出了援场 小、质量大的缺陷。 图1 0 9 小卫星上使用的r - c 系统 三反射系统已经成功地运用到了商业和国防上。图1 1 0 就是i k o n o s 商用 遥感卫星数字相机的光学系统1 1 7 。1 “，该卫星于1 9 9 9 年9 月2 4 日发射成功，能为 用户提供地面分辨率l m 的全色图像和分辨率4 m 多光谱图像。轨道高度为 6 8 0 k m ，焦距为1 0 m ，地面刈幅宽度11 - 1 3 k m ，相当于约1 。全视场角。 美国的数字地球公司快鸟( q u i c k b i r d ) 卫星上的b h r c6 0 相机阻2 0 1 ，如图 1 1 l 所示，于2 0 0 1 年1 0 月1 9 日成功发射。此相机的工作波段从可见光至近红 外，有蓝、绿、红、近红外四个多光谱通道和一个全色通道，以推扫方式成 像，它的轨道高度在4 0 0 9 0 0 k m 之间，全色和多光谱像的空间分辨角分别为 1 3 7 ur a d 和5 4 7 ur a d ，相对应的地面空间分辨率0 5 1 2 5 m 和2 - 5 m 。全视场角 三鹿射镜光学系统的计算机辅助装调技术研究 达到2 1 ，对应遣西列幅宽度1 4 4 0 k m ，望远物镜多 形势矩形，大小 11 5 c m x l 4 1 c m 1 9 5 c m ，质量2 9 6 k g 。 主镜 圈l 。t 0 i k o n o s 稽橇光学系统 除了美圜之外，别的围家也在研究三反镜系统。法国3 s 计划中的t m a 鋈 通镜1 2 1 1 和日本防卫厅研制的多波段侦察相机口2 - 2 3 也采用这种系统。图1 1 2 所示 懿蹩露觅翡嚣葶争离辘三爱麓镜光学系绞。 图1 1 1b h r c 相机的光学系统 第一幸绪论 主镜 图1 1 2 常见的两种离轴三反镜光学系统 离轴反射镜光学系统不仅在航天遥感光学系统中广泛的应用，而且在光刻 系统中也被广泛采用。在电子信息产业发展过程中，集成电路技术在计算机系 统、通信设各、现代化工业应用和人们的日常生活等许多领域都发挥越来越重 要的作用，迫切需要特征尺寸小、集成度高的集成电路芯片。据s i a ( s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 统计表明，极紫外投影光刻( 简称 e u v l ) 是制作特征尺寸为o 1 1 1m 以下的超大规模集成电路的主导技术之一 2 4 2 5 1 对于e u v l 光刻系统，为了满足衍射极限的分辨率，如果在使用波长 五：1 3 4 r i m 时要求的最终波像差达到l n mr m s 值。这么高的精度，对光学系统 设计、加工和装调等技术都提出了空前的挑战。离轴反射镜光学系统在最近几 年也成功地运用到了e u v l 光刻系统中。如图1 1 3 所示的光刻系统就是由美国 的a r i z o n a 大学设计的【2 6 】。 图1 1 3 四片镜的极紫外光刻相机 日本也在软x 射线光刻方面有许多成绩。n i k o n 公司研制的一光刻系统就 三鼠射镜光学惹统的计算机辅助装谰技术研究 是由三块非球面组成 2 7 - 2 8 如图1 1 4 图1 1 4 极紫外光刻系统光路示意图 在软x 射线波段，波长约为可见光的1 4 0 倍，如果在设计中规定波前误差 为o 0 2 九r m s ，并且系统成像质量接近衍射极限，分配到各反射镜表面上的公 差十分严格，分配到系统装调的公差更小。也就是说，软x 射线光刻技术要求 极高的光学系统装调精度，如果不采用先进的装调技术，将极大的限制软x 射 线光刻工艺技术的发展。 军事科学的发展，新型武器装备要求更先进更复杂的光学系统。美国的 s t r a t e g i cd e f e n s e i n i t i a t i v eo r g a n i z a t i o n ( s d i o ) 致力于发展太空激光武器系统【2 9 _ 3 m ， 支持了一系列高能激光器装调和自动控制的研究研目，这种空基激光武器系统 中大量的光学元件集成在一个平台上，需要调整的光学元件多达几十个，所以 必须采用计算机辅助装调。 1 1 3 光学j j n i 水平与工艺日趋完善 现代光学系统越来越多地运用非球面元件，使光学系统的重量变轻，体积 变小变紧凑，并且有效地校正各种单色差、改善像质。”。以美国为首的一些发 第一章绪论 达国家利用数控技术已在线测量技术已经实现了大口径非球面的自动加工，最 大的加工直径为4 m ，面形精度为 2 0 ( r m s ) 。随着计算机技术和自动控制技 术的发展，以i t e k 公司和a r i z o n a 大学光学中心为代表的一些制造商和研究机 构发展了计算机控制光学表面成形技术( c c o s ) ，该技术的采用可以缩短光学 非球面的加工周期，提高加工精度。在国内，长春光机所也开展了c c o s 技术 的研究，并且研制出国内实用型首台非球面数控光学加工中心f s g j - 1 【3 ”。 这些技术的发展，促进了光学设计的发展，同时也产生了许多复杂的光学 系统。精密控制理论及工艺的发展，也为光学系统的装调提供了可靠的保障。 1 2 计算机辅助装调发展历史及现状 通常光学系统的装调主要靠装调人员的经验和简单的装调设备来完成盼 3 4 】，实际上，通常的光学系统一般来说都是同轴系统，或者说这样的系统对像 质要求不是太高，而且需要经验丰富的装调人员。通常的装调存在很大的盲目 性，装调的周期也很长，精度也不高， 这样的装调不适合大型的，复杂的光学 系统的装调。计算机技术、光学设计以及光学加工技术的不断发展，使得计算 机辅助装调成为可能。 1 9 7 0 年到1 9 8 5 年间，i t e k 公司致力于全反射、无中心遮拦、大视场光学系 统的研究。虽然这种设计相当理想，但是在对系统进行最终装校时却遇到了困 难，投入了大量的人力、物力都无法通过装调使实际系统的成像质量接近理论 值，有时还出现愈调愈坏的情况。为此，i mm e g d a l l 等人提出了利用计算机来 进行辅助装调的设想，并进行了研究【3 5 j 。虽然结果与设计结果相比仍存在较大 的偏差，但相对于人工装调而言，其装调精度已大大提高，这对此项技术进行 深入研究是一个良好开端。 1 9 8 7 年到1 9 9 1 年，美国a r i z o n a 大学光学中心也进行了此项技术的研 究，l a w r e n c e 和c h o w 采用h a a m a n n 法检测系统像质，从中分离出由光学零 三反射镜光学系统的计算机辅助装调技术研究 件失调引入的像差，以此来指导系统的装调p 6 。h w a nj j e o n g 和g e o r g e n l a w r e n c e 提出了反向优化的计算机辅助装调方案 3 7 - 3 8 】，这种方法以一个标准 的光学设计软件中的h a r t m a n n 数据作为目标值，并用阻尼最小二乘法优化得到 光学系统的失调量。他们对r o c k w e l li n t e r n a t i o n a l 公司设计加工的焦距为3 1 英 尺，视场角为lx 1 2 度，入瞳为1 4 5 1 0 英尺的三镜离轴相机进行了装调，证明 这种方法确实可行。w i l l i a ml w o l f e 对一个c o o k e t r i p l e 系统模型及一个双 p e t z v a l 系统进行了计算机辅助装调的数值模拟口。证明反向优化法可以用于复 杂光学系统的装调。 美国的s a n t ab a r b a r a 研究中心的j w , f i g o s k i 等人于1 9 8 9 年对一个大视 场、高分辨望远镜按比例缩小的原型样机进行了计算机辅助装调技术研究【4 “ 4 ”。装调的系统是一个离轴无遮拦三反射镜光学系统，最后成功地对此模型进 行了装调，经过四次迭代计算与装调，当九= 6 3 2 8 n m 时，整个视场的波前误差 达到了o 0 5 5 r m s 。 1 9 9 0 年在h u b b l e 太空望远镜进入轨道后不久，从传回的图像可以发现大 爨豹球差，经分辑确定是嬲子望远镜双曲西主镜的制造误差带来豹，为| 逝嚣要 换两个二级光攀系统w f p c 和c o s t a r 。为了在鞔袋调的成功首先在地面进行 了计算机辅助漩调，制定了周密的装调方案，这项工作分别是由激国加州理工 学院喷气接避实验室豹j e m c g u i r e 积空润望远镜科学研究所的g f h a r t i g 等人 游行的 4 4 - 4 7 】。 19 9 7 年，美国n a s a 发射的土星观测飞行器c a s s i n i 上装备肖复合红外光 落仪( c i r s ) ，它寇援两令覆盖远红乡 ( f i r ) 积中氛外( m i r ) 懿傅立时交换 光谱仪。该文章中提到对复合红岁 光谱仪进行了装调渺5 魏，具体的邋程为首先对 0 5 mc a s s e g r a i n 望远镜、f i r 和m i r 光谱仪等子系统进行装调，然后将子系统 熬台霆来装调。孑系统的波_ | l 誊误差控测蹩联爰z y g om a r kt v 干涉仪宠戏静，最 终达到的装调精度为倾斜爨o 5 毫弧度和偏心量1 0 0 微米。 纂一章 疆话 计算机辅助光举系统装调技术还可用来进行激光器谐振腔的裟调。在1 9 9 0 年，美国r o c k w e l l 公司的r h u d ) u n a 和l ，c e l g l e r 对自由电子激光器的豫入射 环形谐振黢进行了计算机辅助装调【5 引，于涉仪测出的波前误熬信息被送入 c o d e v 进行优化给出装调方案，激后通过对各反射镜进行遥控来完成装调。 n o v a 是美强硬制的用于蠼饿约束拨聚变斡躲冲激光装置，光学系绫由数嚣个光 学部件组成，共有1 0 个光路，l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室利用图像分析技 术采凑定光束参考点，麸瑟完残激光器戆装镯拉“。 法国的r e o s c s f i m 公司于1 9 9 3 年针对其设计的商分辨率空间相机进行 了计算撬瓣劝装调瀚礤究和实验 嚣1 。接着，离分辩光学戒豫部的m a r i e t h e r e s e v e l l u e t 等人利用s h a c kh a r t m a r m 波前传感器的探测结果，移动引起的偏心像 差，从而验证了方案的可行性1 5 6 j 。 以色列光电工业公司的d a n i e ll e i g h 等人利用c o d e v 软 牛和干涉仪测量技 术对一个1 2 m 口径、1 1 0 相对孑l 径的c a s s e g r a i n 系统进行了实际装调，结果 表明诗箕援疆霸装援毙手工装调甄快速又漤穗5 7 1 。s h a ie i s e n b e r g 逐剥霜爨绫软 件p r o p t ( 其中调用了f r i n g e 予程序) 对c a s s e g r a i n 望远镜进行了模拟装调 嘲。 运用计算机辅助装调技术，离轴三反镜光学系统已经成功地运用到了国防 和商业上。2 0 0 0 年，美国的b a l l 公司的q u i c k b i r d 离轴三反镜光学系统，在实 际装调时，只用一周的时间就从波像麓o 4 5 凡调到了0 0 4 入r m s ( x = 6 3 2 8 n m ) 1 1 9 2 0 1 。由于离轴反射镜光学系统所用的镜片少，没有色慧，所以在光 刻系绫上也被广泛锼最。爨本的n i k o n 公司使用f i z e a u 于涉仪、氮一氖激光嚣鞋 及c o d e v 软件，使离轴三反镜光举刻录系统的波像差在 = 1 3 5 n m 时达到了 3 r i m1 5 9 4 0 t 。美番戆l a w r e n c el i v e r m o r e 黧家实骏室鲶h e n r yn c h a p m a n 和 d o n a l dw s w e e n e y 使用计算机辅助装调方法，减少要调整的量，使计算熨准确 更浚速。孺这种方法，德髓成功蟪装调了一个霾反射镜光学袤l 镪系统 6 1 斟1 。 三成射镜光学系统的计算机辅助裴调拭术研究 最近几年，国内静诗髯襁辅助装调研究也取得了院较大静进步。中国辩学 院光电技术研究所林妩媚等人对光学系统计算机辅助液调机理进行了研究【6 孙，具 体分掇了光学系统加工和装调中的影响像质的各项谈蒺来源，劳对误差互孙的 霹行性进行了计算机模拟；该所的娆汉民x 重亚徽米投影光刻耱镜的光学装谲遴 行了研究【6 6 】。中国科学院长眷光机与物耀所的张斌、韩昌元理论上分析了一个 离毒窭三反镜光学系统，并诚鞠用自编的獠序可以实现装调 6 7 删。北京理工大学 的粱列国以一个卡塞格林系统为研究对象，分剐醛噙变和彗差 乍为像质评价的 圈标，运用神疑网络思想进行计算机辅助装调技术研究，验证了人工神经网络 逡耀在计算枧辅助装调中鼹可 亍牲和有效性 。另辨，在中国科学院南京天文 仪器研制中心李德培的文章中提到该中i l , t 在研翎暹波改迸静h a r t m a r m 检验， 求出像差系数、波面等高图，用来指导光学调整的专用仪器【7 。随着我国科学 技米豹发展，光学仪器也在巍裹精度窝难度的方向发壤，势必对袋调的要求提 麓，因此迫切需要对计算搬辅助装调技术进行研究。 1 。3 本论文的研究内容 实际的光举系统的波前携带着许多误差，主要有如下几方面：一愚光学设计饼 带系统误差；2 2 魁加工后各镜残留误差；三是装调误差。光学设计所带的系统误懿 是竞学设计饶纯翡筵暴；一般都菲霉枣，不会辩系统鸯影臻；霹予菲蘧囊镶翁麓 工，当前国外的水平已非常的高，但在国内，非球蕊加工中，镜面仍会带确一 定的高频误藏，这对整个光学系统的m t f 会有大的影响，计算机辅助装调只会 对出予竟学系统各个元 串辐对位置不正确褥弓 天靛诿差避器骖歪。 随着我固航天相机技术的不断发展谶步，新型念反射非球祗式航天相机的 研制要求先解决装调这一关键闯题，这关键问题的解决也会能我国的装调水 平达委晷瑟免避零乎。 本文以计算机辅助装调技术为研究蕊点，酰大躺径长焦距离辅兰反镜光举 v 悔， 第一章 蝗镑 系统为研究对象，从理论上确立数学模型， 焉形成一銮准确，裙时，简洁的装诵方法。 工作： 寻找能计算准确失调擞的方法，最 本文藏俸开展以下几个方面的研究 一、理论研究： l 、结合阻尼最小二乘法与奄羚僵分解法特点，形成了计算枫麓髓装调的逆 向优化算法。从理论上分卡斤清楚了奇异值与阻尼因子的关系，在此基础上，所 缡割懿诗舅撬辘助装谎软传包可以准臻方经建对爨麓或骞霉囊光学系绫逶行装调 计算。 2 、对焦疆为6 m 、2 n z t 、g 7 5 m 三猝离拳鸯三爱镜光学系统遂芎亍了装调诤簿， 证明此算法是准确可行的。 3 、自己形成一套理论体系，独立编制了可视化计算机辅助装调软件包，并 与薯名的光学设计软件c o d ev 所带的装调软传包进行了比对，无论从理论计 算还是实际装调，自编的程序优于c o d ev 。 二、实鼹工馋 1 、国内首次完成焦距6 m ，口径6 0 0 m m 的离轴无遮拦三反镜光学系统的实 簿装调，最终耀凝达到了设计摇标要求，并逶遗专家的验羧。 2 、总结出三种实际装调方法。一是像麓逐项优化法；二是灵敏度矩阵条件 数法；三是补偿器分组法；这些方法在实际装谲中己被应用，收到较磐的效 果。 三藏瓣甓是攀零统转诗算瓤辚齄襄鳃捷拳碍霓 第二章计算机辅助装调技术基础理论 2 。1 用子像质评价的几种辩用检测方法 计算机糖助装调中的个关键技术是系统失调量的确定，即邋过计算对测 得的包含系统失调的像质进行数据分析和处理，得到光学系统相关装调参薰的 失调曩，进褥对系绫进霉亍是：薰、有序数装邂。系统失调量鹩礁定怒一个数据处 理过程，也是一个数值优化过程。而失调擞的获取凝靠恰当的检测方法，这些 方法戆蚕霜，也决寇了辕助装逶方法鹣不裁。下委楚像矮检测懿方法： 1 ) 凝点法。 使一点光源遭过被涮系统成像，观察其光能鲞分布清况，来判断系统的成 像质量。光举系统的缺陷会引起光臆函数变化，从丽使对皮的星点像产生变形 或改变光能麓分布，丽且待检系统的缺陷不同，星点像的变化情况也不同。故 可将实际像点衍射像的光强分蠢与艾里斑光强的馕麓作为麓助装调的数据。星 点检验可由焦面上裟有星孔光阑的平行光管和观察鼹微镜，并利用光电或照像 技术寒竞成。w j 。s c h a f e r 合作公司戴应爨了这静