大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法，該方法包括以下步驟：1)計(jì)算并建立待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫；2)根據(jù)步驟1)中所建立的待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫以及待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)不同視場的像差測量值獲取待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果；3)根據(jù)步驟2)中的裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果對裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)的各自由度進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明提出了一種可實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)、能降低對失調(diào)光學(xué)系統(tǒng)粗裝調(diào)的要求的大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法。
【專利說明】大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法，尤其涉及一種基于蒙特-卡羅法和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互的大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)就是通過對待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并通過計(jì)算方法對得到的波像差進(jìn)行處理和優(yōu)化，給出系統(tǒng)各個(gè)光學(xué)元件明確的調(diào)整方向和具體的量值，從而通過各種定位工具和調(diào)整工具使光學(xué)元件回到其實(shí)際的最佳位置，使光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量以及各元件的相互位置可以接近于理論設(shè)計(jì)指標(biāo)。
[0003]目前計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)過程主要采用靈敏度矩陣法，其近似認(rèn)為待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差與調(diào)節(jié)量之間為線性關(guān)系，即它們之間可以表示為下式:
[0004]AX ΔΧ+Η = AF (I)
[0005]式中，A為靈敏度矩陣，Λ X為待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)主鏡和次鏡的自由度調(diào)整量，AF為系統(tǒng)不同視場像差偏差，H為噪聲，通過對(I)式求解可得到系統(tǒng)調(diào)整量。該方法具有以下缺點(diǎn):
[0006]I)由于靈敏度矩陣A為奇異矩陣，(I)式?jīng)]有精確解，利用傳統(tǒng)的最小二乘法，求解的結(jié)果對靈敏度矩陣性質(zhì)的要求比較高，且失調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各光學(xué)元件自由度調(diào)整量之間的近似相關(guān)性，都會(huì)導(dǎo)致解的收斂性無法滿足。
[0007]2)常規(guī)的靈敏度矩陣法是在線性近似的前提下進(jìn)行計(jì)算，其在以系統(tǒng)理論基準(zhǔn)點(diǎn)(各視場波像差最小)為中心的很小范圍內(nèi)，(I)式求解的結(jié)果才能保持很好的收斂性，故其動(dòng)態(tài)范圍很小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種可實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)、能降低對失調(diào)光學(xué)系統(tǒng)粗裝調(diào)的要求的大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案是:本發(fā)明提供了一種大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法，其特殊之處在于:所述大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法包括以下步驟:
[0010]I)計(jì)算并建立待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫；
[0011]2)根據(jù)步驟I)中所建立的待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫以及待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)不同視場的像差測量值獲取待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果;
[0012]3)根據(jù)步驟2)中的裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果對裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)的各自由度進(jìn)行調(diào)整。
[0013]上述步驟I)的具體實(shí)現(xiàn)方式是:[0014]1.1)通過蒙特-卡羅法生成待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整變量的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；
[0015]1.2)通過DDE建立計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法與ZEMAX軟件的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，并通過DDE將各自由度調(diào)整變量的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)反饋到ZEMAX軟件中；
[0016]1.3)以待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整變量隨機(jī)數(shù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算并建立待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫。
[0017]上述步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方式是:
[0018]2.1)輸入待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)不同視場的像差測量值；所述待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)η個(gè)視場、m個(gè)調(diào)節(jié)自由度變量、阻尼因子P以及迭代次數(shù)j ;所述阻尼因子O < P < i，所述i是大于O的整數(shù)；
[0019]2.2)計(jì)算待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差測量值與隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的理論像差值偏差的平方和S ；
[0020]2.3)尋找滿足步驟2.2)中待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差測量值與隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的理論像差值偏差的平方和S的最小的隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)，在步驟I)中所建立的待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫中確定最佳靈敏度矩陣B ;
[0021]2.4)對步驟2.3)所確定得到的最佳靈敏度矩陣B進(jìn)行Gram-schmidt正交化處理得到矩陣B'，矩陣B'中列向量彼此正交，保證列之間的非相關(guān)性；
[0022]2.5)計(jì)算待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量Λ X ;待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量ΔX的計(jì)算方式是:
[0023]B' XAX=AF
[0024]其中:
[0025]Δ F為待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差測量值與理論值的偏差；
[0026]2.6)通過DDE將步驟2.5)中所計(jì)算得到的待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量反饋到ZEMAX軟件中，獲取待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)在調(diào)整后的像差；
[0027]2.7)計(jì)算待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)在調(diào)整后的像差與理論像差的偏差平方和MFi ；
[0028]2.8)判斷MFi是否最小；若否，阻尼因子P的值加1，重新選擇靈敏度因子，并執(zhí)行步驟2.4)至步驟2.8);若是，確定待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)最佳調(diào)整量和像差殘余量；同時(shí)將迭代次數(shù)j的值加1，同時(shí)執(zhí)行步驟2.4)至步驟2.8)；
[0029]2.9)完成迭代次數(shù)的計(jì)算，輸出待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0031]本發(fā)明提供了一種大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法，該方法通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互(DDE)將其與ZEMAX軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，同時(shí)通過蒙特_卡羅法實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)與仿真的相結(jié)合，從而極大的提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度；降低了對待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)粗裝調(diào)的要求；重復(fù)性好，計(jì)算結(jié)果置信度高；改善了非線性問題處理時(shí)局部解的收斂性，并提高了收斂速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明所提供的大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0033]參見圖1，本發(fā)明提供了一種大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法，該方法結(jié)合常規(guī)的靈敏度矩陣法小范圍快速收斂和采用蒙特卡-洛法處理非線性問題動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)，具體而言，該方法包括以下步驟:
[0034]I)預(yù)處理模塊:
[0035]Stepl:通過蒙特_卡羅法生成待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整變量的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；
[0036]Step2:通過DDE建立計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法與ZEMAX軟件的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，并通過DDE將各自由度調(diào)整變量的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)反饋到ZEMAX軟件中；
[0037]Step3:以各自由度調(diào)整變量隨機(jī)數(shù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算并建立待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫；
[0038]2)計(jì)算主模塊:
[0039]Step4:輸入待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)不同視場的像差測量值；
[0040]St印5:設(shè)置視場個(gè)數(shù)η、調(diào)節(jié)自由度變量個(gè)數(shù)m、阻尼因子P的范圍為(O?i，i為大于O的整數(shù))和迭代次數(shù)j ；
[0041]Step6:計(jì)算待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差測量值與隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的理論像差值偏差的平方和S ;
[0042]Step7:尋找滿足S最小的隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)，從而在靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫中確定最佳靈敏度矩陣B ；
[0043]Step8:對靈敏度矩陣B進(jìn)行Gram-schmidt正交化處理得到矩陣B',矩陣B'中列向量彼此正交，保證了列之間的非相關(guān)性；
[0044]Step9:計(jì)算待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量Λ X ;待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量ΛX的計(jì)算方式是:
[0045]B' XAX=AF
[0046]其中:
[0047]Δ F為待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差測量值與理論值的偏差；
[0048]SteplO:通過DDE將待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量反饋到ZEMAX軟件中，獲取系統(tǒng)調(diào)整后的像差；
[0049]Stepll:計(jì)算系統(tǒng)調(diào)整后的像差與理論像差的偏差平方和MFi ；
[0050]Stepl2:判斷MFi是否最??；
[0051]St印13:如果MFi不是最小，i加1，重新選擇靈敏度因子，并從St印8執(zhí)行到St印12 ;如果MFi最小，確定待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)最佳調(diào)整量和像差殘余量。迭代次數(shù)j加1，再從step8執(zhí)行到Step 13 ；
[0052]Stepl4:完成迭代次數(shù)的計(jì)算，輸出待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果。
[0053]3)根據(jù)步驟2)中的裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果對裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)的各自由度進(jìn)行調(diào)整。
[0054]通過理論仿真分析，此方法極大的提高了計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)的動(dòng)態(tài)范圍，并保證了求解結(jié)果的收斂性。
【權(quán)利要求】
1.一種大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法，其特征在于:所述大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法包括以下步驟: 1)計(jì)算并建立待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫； 2)根據(jù)步驟I)中所建立的待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫以及待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)不同視場的像差測量值獲取待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果； 3)根據(jù)步驟2)中的裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果對裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)的各自由度進(jìn)行調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法，其特征在于:所述步驟I)的具體實(shí)現(xiàn)方式是: .1.1)通過蒙特-卡羅法生成待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整變量的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；.1.2)通過DDE建立計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法與ZEMAX軟件的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，并通過DDE將各自由度調(diào)整變量的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)反饋到ZEMAX軟件中； .1.3)以待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整變量隨機(jī)數(shù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算并建立待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方法，其特征在于:所述步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方式是: . 2.1)輸入待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)不同視場的像差測量值；所述待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)η個(gè)視場、m個(gè)調(diào)節(jié)自由度變量、阻尼因子P以及 迭代次數(shù)j ;所述阻尼因子O < P < i，所述i是大于O的整數(shù)； .2.2)計(jì)算待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差測量值與隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的理論像差值偏差的平方和S ；.2.3)尋找滿足步驟2.2)中待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差測量值與隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的理論像差值偏差的平方和S的最小的隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)，在步驟I)中所建立的待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)失調(diào)點(diǎn)的靈敏度矩陣數(shù)據(jù)庫中確定最佳靈敏度矩陣B ; . 2.4)對步驟2.3)所確定得到的最佳靈敏度矩陣B進(jìn)行Gram-schmidt正交化處理得到矩陣B'，矩陣B'中列向量彼此正交，保證列之間的非相關(guān)性； .2.5)計(jì)算待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量△ X ;待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量Λ X的計(jì)算方式是: B' X ΔΧ = AF 其中: AF為待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像差測量值與理論值的偏差； .2.6)通過DDE將步驟2.5)中所計(jì)算得到的待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量反饋到ZEMAX軟件中，獲取待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)在調(diào)整后的像差； .2.7)計(jì)算待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)在調(diào)整后的像差與理論像差的偏差平方和MFi ； .2.8)判斷MFi是否最?。蝗舴?，阻尼因子P的值加1，重新選擇靈敏度因子，并執(zhí)行步驟.2.4)至步驟2.8);若是，確定待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)最佳調(diào)整量和像差殘余量；同時(shí)將迭代次數(shù)j的值加1，同時(shí)執(zhí)行步驟2.4)至步驟2.8)； .2.9)完成迭代次數(shù)的計(jì)算，輸出待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)各自由度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104036071SQ201410216269
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】段亞軒, 陳永權(quán), 趙建科, 龍江波, 田留德, 李坤 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所