蔣世磊等

摘要： 根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的裝校工藝過(guò)程，應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具Delphi，研制了用于光學(xué)系統(tǒng)裝校的光學(xué)系統(tǒng)中心偏誤差分析軟件。該軟件提供了光學(xué)元件球心像位置計(jì)算和光學(xué)中心偏誤差分析的功能，人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單方便，目前已經(jīng)較好地應(yīng)用于高精度光學(xué)中心偏測(cè)量?jī)x的光學(xué)裝校工藝過(guò)程的控制。

關(guān)鍵詞： 光學(xué)中心偏； 球心像； 誤差分析

中圖分類號(hào)： V 474文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.005

Abstract： A software for error analysis of optical centration error and optical alignment has been developed based on Delphi. The functions to evaluate the position of the image of measured surface center and to analyse the optical centration errors have been provided. The software also supplies userfriendly interface and is easily to operate. As an important tool， it has been successfully used in the optical centration error measuring instrument to guide the process of the high precision optical system assemble.

Keywords： optical decentration； central image； error analysis

引言隨著光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。為了滿足高成像質(zhì)量的要求，相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)精度越來(lái)越高，對(duì)于大口徑、大視場(chǎng)、高分辨率、無(wú)畸變光學(xué)系統(tǒng)的需求不斷增加。研發(fā)如此復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，不僅取決于光機(jī)設(shè)計(jì)和材料，還取決于加工制造及檢測(cè)技術(shù)。光學(xué)裝校是從零件到組裝成合格光學(xué)系統(tǒng)的最后一道關(guān)鍵工序，如何將復(fù)雜的設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)的要求，穩(wěn)定、可靠、無(wú)變形、位置正確地組合成一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)裝校設(shè)備及技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求[12]。光學(xué)中心偏是光學(xué)儀器制造誤差中一項(xiàng)對(duì)整機(jī)光學(xué)系統(tǒng)裝配質(zhì)量影響較大，也是一項(xiàng)較難控制的誤差。由多鏡片構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由于各透鏡的光軸與系統(tǒng)光軸的偏差（中心偏）的存在，破壞了光學(xué)系統(tǒng)的共軸性，造成彗差、像散等一系列像差，從而破壞光學(xué)系統(tǒng)性能[34]。光學(xué)中心偏的存在將成為直接影響系統(tǒng)的分辨率、最小可分辨溫差（MTD）、作用距離等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[56]。中心偏測(cè)量可對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像的質(zhì)量做出定性評(píng)價(jià)，而且還可調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)工藝，使各透鏡組的光軸盡量共軸，以提高光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量[7]。發(fā)達(dá)國(guó)家很早就對(duì)光學(xué)中心偏誤差進(jìn)行了大量的分析研究工作，并先后研制出許多水平較高的中心偏測(cè)量?jī)x和定心儀，其中大部分由計(jì)算機(jī)控制，但是基本屬于自用，工藝方法保密，產(chǎn)品出售價(jià)格昂貴。隨著項(xiàng)目資金的投入和關(guān)注度的提高，國(guó)內(nèi)愈來(lái)愈多的企業(yè)、大學(xué)和研究單位先后研制出多種多樣的定中心儀器，包括激光定中心儀、內(nèi)調(diào)焦定中心儀、光電定心儀、反射式膠合定中心儀、高精度中心偏測(cè)量?jī)x等。這些儀器的成功研制，大大提升了我國(guó)的光學(xué)定中心技術(shù)，并大大推動(dòng)了我國(guó)光學(xué)加工領(lǐng)域、光學(xué)裝調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展[89]。目前普遍使用的光學(xué)中心偏測(cè)量?jī)x，需要測(cè)量人員具備很好的光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和人工控制儀器。由于需要人眼進(jìn)行目視瞄準(zhǔn)，使得裝調(diào)周期長(zhǎng)，裝調(diào)反復(fù)性大，位置控制精度不高，同時(shí)需要記錄、處理數(shù)據(jù)的工作量也很大，因此研制光學(xué)中心偏誤差分析軟件輔助光學(xué)中心偏測(cè)量?jī)x器十分必要[10]。

發(fā)工具，開(kāi)發(fā)了光學(xué)系統(tǒng)中心偏誤差分析軟件，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：光學(xué)系統(tǒng)球心像位置計(jì)算模塊和光學(xué)中心偏誤差分析模塊。采用Delphi開(kāi)發(fā)工具有以下優(yōu)點(diǎn)：Delphi是全新的可視化編程環(huán)境，提供了一種方便、快捷的Windows應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具；它使用了Microsoft Windows圖形用戶界面的許多先進(jìn)特性和設(shè)計(jì)思想，采用了彈性可重復(fù)利用的完整的面向?qū)ο蟪绦蛘Z(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單、高效、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。2光學(xué)系統(tǒng)球心像位置計(jì)算在光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)過(guò)程中，系統(tǒng)各個(gè)面的球心像位置容易引起誤判。為了減少裝校和檢測(cè)過(guò)程中因不能準(zhǔn)確、快速的找準(zhǔn)各球面對(duì)應(yīng)的球心像引起的誤判，提高系統(tǒng)裝校檢測(cè)效率，通過(guò)被測(cè)系統(tǒng)中各光學(xué)面的半徑、厚度、間隔、折射率等參數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算各面球心像的位置，并按一定順序進(jìn)行排列，便于測(cè)量時(shí)快速找像。根據(jù)球心像位置選用合適的內(nèi)調(diào)焦測(cè)量或附加物鏡測(cè)量，調(diào)整測(cè)量頭的對(duì)應(yīng)位置，分別測(cè)出每個(gè)球心像的劃圓量。因此計(jì)算出每一個(gè)面的球心像位置可大大縮短裝調(diào)的找像時(shí)間，減少誤判，提高效率。

image of measured surface center該軟件模塊主要功能有：另存數(shù)據(jù)、載入數(shù)據(jù)、刪除選中的數(shù)據(jù)、清空數(shù)據(jù)、計(jì)算并顯示頂焦距、系統(tǒng)倒置、球心像位置計(jì)算和顯示，控件的安排情況如圖2所示。各控件的功能如下：（1）另存表格：用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的保存。（2）載入數(shù)據(jù)：打開(kāi)以保存的光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。（3）刪除該行/清空數(shù)據(jù)：在輸入數(shù)據(jù)操作時(shí)，如果對(duì)當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)不滿意，可以使用“刪除該行”或“清空數(shù)據(jù)”。（4）顯示頂焦距：在進(jìn)行球心像位置計(jì)算時(shí)，選擇“顯示頂焦距”，結(jié)果會(huì)增加頂焦距和焦距相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（5）數(shù)據(jù)框：在光學(xué)系統(tǒng)裝校或檢測(cè)之前需要制定工藝方案，要輸入的數(shù)據(jù)主要包括各面半徑、鏡片厚度、間隔、折射率等參數(shù)。（6）球心像位置計(jì)算：計(jì)算結(jié)果將以.TXT文件格式打開(kāi)，分別按順序排列。圖3為計(jì)算結(jié)果的輸出形式。（7）球心像位置顯示：將光學(xué)系統(tǒng)各面球心像位置分布及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)以.BMP格式保存，使結(jié)果更加直觀，圖4為球心像位置顯示界面。

光學(xué)中心偏誤差分析光學(xué)中心偏誤差分析的功能是將中心偏測(cè)量?jī)x測(cè)得的被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)每個(gè)面的偏心數(shù)據(jù)，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算分析鏡組各球面偏心對(duì)系統(tǒng)像差的影響，給出偏心對(duì)系統(tǒng)像差影響的權(quán)重因子，同時(shí)軟件為使用者提供標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重、等權(quán)權(quán)重和偏心權(quán)重等模式，重新評(píng)價(jià)各球面的偏心誤差，為處理計(jì)算得到每一面的偏心數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合出一條最佳軸線并計(jì)算出各實(shí)際球心相對(duì)于最佳軸線的偏離量。該軟件模塊主要功能有：另存數(shù)據(jù)、載入數(shù)據(jù)、刪除選中的數(shù)據(jù)、清空數(shù)據(jù)、權(quán)重選擇、偏心差計(jì)算和圖形顯示，控件的安排及運(yùn)行情況如圖5所示。各控件的功能如下：（1）權(quán)重選擇：分析鏡組各球面偏心對(duì)系統(tǒng)像差的影響，給出偏心對(duì)系統(tǒng)像差的影響權(quán)重因子，重新修正各球面的偏心誤差。權(quán)重又可分為：標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重（按照半徑分配）、等權(quán)權(quán)重（權(quán)重均相等）、偏心權(quán)重（依據(jù)各面的偏心要求）和自定義（用戶自定義偏心權(quán)重）。（2）數(shù)據(jù)框：“β內(nèi)”一欄輸入測(cè)量時(shí)所讀內(nèi)調(diào)焦測(cè)量頭的倍率。“β轉(zhuǎn)”一欄輸入測(cè)量頭所用轉(zhuǎn)像物鏡倍率。“β附”一欄輸入附加物鏡倍率，若沒(méi)有用，則輸入“1”?！癤1”，“Y1”分別為0°所測(cè)x，y方向的值；“X2”，“Y2”分別為180°所測(cè)x，y方向的值。（3）偏心計(jì)算：計(jì)算結(jié)果將以.TXT文件格式打開(kāi)，其中0x′，0y′為測(cè)得的中心偏在X和Y方向的分量值；oo′為中心偏的絕對(duì)量，單位都為mm；oo′/r′為中心偏角偏差，單位為（"）；a為中心偏矢量在XY面上的方向角，該量表征中心偏量的方向，同時(shí)顯示出最佳基準(zhǔn)軸變換結(jié)果，運(yùn)行情況如圖6所示。

（4）圖像顯示：測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法直觀看出被測(cè)件的真實(shí)中心偏。為使測(cè)量和計(jì)算結(jié)果更加直觀，特別增加了圖像顯示功能，該控件顯示包含了規(guī)劃前和規(guī)劃后的中心偏對(duì)比圖像。根據(jù)測(cè)出的每個(gè)面的球心點(diǎn)擬合出一個(gè)最佳光軸，顯示出每個(gè)面的球心到此最佳光軸的距離，來(lái)直觀表征被測(cè)件的光學(xué)質(zhì)量。圖7示出了球心像位置顯示界面。對(duì)于一個(gè)固定的透鏡，透鏡的中心偏是定值，然而由于安裝誤差的存在，同一片透鏡多次重復(fù)安裝后進(jìn)行中心偏測(cè)量時(shí)測(cè)量結(jié)果都不同。為了減小這種安裝誤差，這里引入系統(tǒng)最佳光軸的概念，最佳光軸的確立是進(jìn)行光軸擬合的結(jié)果，并通過(guò)計(jì)算出各光心相對(duì)于最佳光軸的偏心距離，為后面的裝校過(guò)程提供一個(gè)依據(jù)。4軟件工作過(guò)程用戶先輸入被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算出被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的各球面的球心像位置分布，并將計(jì)算結(jié)果圖形顯示。然后用戶參考該軟件計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)圖形，控制中心偏測(cè)量?jī)x對(duì)被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，微調(diào)焦面位置找準(zhǔn)球心像。最后，利用中心偏測(cè)量?jī)x測(cè)得的被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)每個(gè)面的球心像數(shù)據(jù)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入光學(xué)系統(tǒng)誤差分析模塊的數(shù)據(jù)編輯框，軟件計(jì)算得到每一面的偏心數(shù)據(jù)。軟件程序采用最小二乘法擬合出一條最佳軸線并計(jì)算出各實(shí)際球心相對(duì)于最佳軸線的偏離量。根據(jù)測(cè)得的偏離量對(duì)被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行裝調(diào)。軟件運(yùn)行過(guò)程中，可隨時(shí)打印當(dāng)前的計(jì)算結(jié)果及顯示圖形。5結(jié)論光學(xué)系統(tǒng)中心偏誤差分析軟件是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求開(kāi)發(fā)的，選用了Delphi開(kāi)發(fā)工具，并采用了模塊化設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)軟件提供了光學(xué)系統(tǒng)球心像位置計(jì)算和光學(xué)中心偏誤差分析的功能。系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)裝校及檢測(cè)過(guò)程的可視化，裝校質(zhì)量分析的科學(xué)化。該軟件已在很多科研項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，滿足了生產(chǎn)的需求。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：張磊）