一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法及系统

技术领域

本发明涉及光学系统装调技术领域，特别是涉及一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法及系统。

背景技术

主次镜系统：主次镜系统是指主镜（相对较大）和次镜（相对较小）两种反射式镜片组成的最基本的反射式系统结构，是三反系统乃至多反系统的基本单元。根据主镜和次镜的面型大致可以分成三类，分别是：1）卡塞格林式（Cassegrian）主次镜系统;2）格里高利式（Gregorian）主次镜系统;3）里奇-克里斯蒂安式（Ritchey-Chrétien）主次镜系统。

视场为天文学术语，是指望远镜或双筒望远镜（也就是光学系统）所能看到的天空范围。视场代表着摄像头能够观察到的最大范围，通常以角度来表示，视场越大，观测范围越大。换言之，视场就是光学系统看目标的方向和角度，以主次镜系统为例，视场也就是入射光线相对于主镜的角度；

装配误差，对于主次镜系统来说，主镜（Primary Mirror，简称：PM）口径和重量都远远大于次镜（secondary mirror，简称：SM），因此主镜常作为装调基准，通过装调次镜使其达到理想位置。因此，只有次镜存在装配误差；

综上可知，在对主次镜系统进行装配时，需要对其装配误差进行分析计算，从而确定当前的主次镜系统是否装调成功。

目前，在计算机辅助装调和主动光学等领域都提出了许多种装配误差计算方法。大部分方法都是根据焦点处的成像质量来进行装配误差计算，以指导装调。请参阅图6，对于主次镜系统，存在一类特殊的装配误差情况，即主次镜系统中存在一个“零慧差自由点”P ，当次镜绕该点旋转时，并不引入三阶慧差和三阶像散，因此，即使次镜存在装配误差，但当装配误差满足“零慧差自由点” P 的条件时，系统轴上视场的三阶慧差和三阶像散和不存在装配误差时的情况一样，因此仅靠轴上视场的成像质量计算主次镜系统的装配误差是不准确的，大部分装配误差计算方法都需要测量多个视场的波像差来确定系统的装调状态。

但是，在实际工程装调过程中，不同视场的精确调整与定位需要依靠专用的辅助装调工装，会耗费大量的时间、人力和物力，因此，提供一种更加高效的装配误差计算方法是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法及系统，仅需通过单一视场的波像差检测结果，即可准确计算系统当前的装配误差，具有更强的工程应用性和操作性。

基于以上目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法，包括如下步骤：

S1.在单一视场下，获取处于不同失调状态的主次镜系统的三阶波像差系数测量值；

S2.随机生成测试装配状态种子;

S3.将所述测试装配状态种子输入至预设的主次镜系统仿真模型中进行数值模拟以获取三阶波像差系数模拟值；

S4.根据所述三阶波像差系数测量值与所述三阶波像差系数模拟值，计算优化评价函数值；

S5.判断所述优化评价函数值是否大于等于预设优化评价阈值；

S6.若所述优化评价函数值小于预设优化评价阈值，则将所述测试装配状态种子的装配误差值输出为所述主次镜系统的装配误差值。

优选地，所述获取处于不同失调状态的主次镜系统的三阶波像差系数测量值，具体为：

A1.获取所述主次镜系统的第一失调状态参数；

A2.在所述第一失调状态参数中加入对应的预设误差值，形成第二失调状态参数；

A3.测量处于第一失调状态和第二失调状态的所述主次镜系统，获取分别对应所述第一失调状态和所述第二失调状态的三阶波像差系数测量值。

优选地，所述第一失调状态参数具体为：

以主镜为装调基准，次镜分别沿X轴、Y轴、Z轴的偏心误差和次镜绕顶点分别沿X轴、Y轴的倾斜误差。

优选地，所述在所述第一失调状态参数中加入对应的预设误差值，形成第二失调状态参数，具体为：

A21.在所述第一失调状态参数中，选取若干个所述偏心误差和/或所述倾斜误差；

A22.分别对若干个所述偏心误差和/或所述倾斜误差加入对应的预设误差值，形成所述第二失调状态参数；

其中，所述第二失调状态参数为包含有若干个不同失调状态参数的集合。

优选地，在所述获取分别对应所述第一失调状态和所述第二失调状态的三阶波像差系数测量值之后，还包括：

根据主次镜系统的光学设计参数、主次镜镜片面型加工误差构建所述主次镜系统仿真模型。

优选地，所述随机生成测试装配状态种子和所述将所述测试装配状态种子输入至预设的主次镜系统仿真模型中进行数值模拟以获取三阶波像差系数模拟值，具体为：

B1.随机生成一组测试装配状态种子，将其作为第一状态种子；

B2.获取所述第一状态种子参数；

B3.在所述第一状态种子参数中加入所述对应的预设误差值，形成第二状态种子参数；

B4.将所述第一状态种子参数与所述第二状态种子参数输入至所述主次镜系统仿真模型中进行数值模拟，获取所述第一状态种子和所述第二状态种子的三阶波像差系数模拟值。

优选地，在根据所述三阶波像差系数测量值与所述三阶波像差系数模拟值，计算优化评价函数值中，计算所述评价优化函数的具体公式MF为：

其中，N为选取三阶波像差系数的总个数，C

优选地，所述判断所述优化评价函数值是否大于等于预设优化评价阈值后包括：

若所述优化评价函数值大于等于预设优化评价阈值，则根据群体智能优化算法更新所述测试装配状态种子，并返回步骤S3。

一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算系统，包括：

获取模块，在单一视场下，用于获取处于不同失调状态的主次镜系统中的三阶波像差系数测量值；

模拟模块，用于随机生成测试装配状态种子，并将所述测试装配状态种子输入至预设的主次镜系统仿真模型中进行数值模拟以获取三阶波像差系数模拟值；

计算模块，用于根据所述三阶波像差系数模拟值与所述三阶波像差系数测量值计算优化评价函数值；

判断模块，用于判断所述优化评价函数值是否大于等于预设优化评价阈值；

输出模块，若所述优化评价函数值小于所述预设优化评价阈值，则将所述测试装配状态种子的装配误差值输出为所述主次镜系统的装配误差值。

优选地，还包括：

调整模块，用于调整主次镜系统的第一失调状态参数，形成主次镜系统的第二失调状态参数；

更新模块，若所述优化评价函数值大于等于预设优化评价阈值，则用于根据群体智能优化算法更新所述测试装配状态种子。

本发明所提供的一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法，是通过以主次镜处于第一失调状态时为参照，获取多个处于不同失调状态时的三阶波像差系数测量值；随后通过随机生成测试装配种子输入至仿真模型中进行数值模拟获取多个处于不同失调状态时的三阶波像差系数模拟值；通过三阶波像差系数的测量值与模拟值可计算优化评价函数值；通过判断评价优化评价函数值是否大于等于预设优化评价阈值，若优化评价函数值小于预设优化评价阈值，则测试装配状态的装配误差值即是该主次镜系统的装配误差值。

本发明所提供的装配误差计算方法，针对主次镜系统因存在“零慧差自由点” P而导致计算装配误差时需要测量多个视场波像差的技术问题，现有技术认为解决该技术问题必须在测量多个视场波像差的前提下。而本发明所提供的技术方案，仅需在单一视场下通过实际测量的与模拟的三阶波像差系数即可准确计算得出主次镜系统实际装配误差，相比于在实际工作中反复测量多个视场的波像差技术，本发明所提供的方法具有逻辑清晰，步骤简单，无需多个视场，能节省大量的时间、人力和物力，具有更强的工程应用性和操作性。并且，本发明所提供的系统也具有相同的功能，达到相同的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的装配误差计算方法中步骤S1的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的装配误差计算方法中步骤A2的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的装配误差计算方法中步骤S2和S3的方法流程图

图5为本发明实施例提供的一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算系统结构示意图

图6为现有技术中主次镜系统“零慧差自由点”P的结构示意图；

图7为本发明实施例为实现装配误差计算方法所使用的装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例采用递进的方式撰写。

本发明实施例提供了一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法及系统。针对主次镜系统因存在“零慧差自由点” P而导致计算装配误差时需要测量多个视场波像差的技术问题，主要解决现有技术方案中，多视场的精确调整与定位需要依靠专用的辅助装调工装，会耗费大量的时间、人力和物力的技术问题。

在实际运用过程中，根据不同的使用需求或所需的效果，各方法步骤有具体的使用细节，各步骤所采用的具体参数可以根据实际需要进行选择。

请参阅图1，一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法，包括如下步骤：

S1.在单一视场下，获取处于不同失调状态的主次镜系统的三阶波像差系数测量值；

S2.随机生成测试装配状态种子;

S3.将测试装配状态种子输入至预设的主次镜系统仿真模型中进行数值模拟以获取三阶波像差系数模拟值；

S4. 根据三阶波像差系数测量值与三阶波像差系数模拟值，计算优化评价函数值；

S5.判断优化评价函数值是否大于等于预设优化评价阈值；

S6.若优化评价函数值小于预设优化评价阈值，则将测试装配状态种子的装配误差值输出为主次镜系统的装配误差值。

步骤S1中，在使用本发明所提供的计算方法时，首先应选定一个视场，一般为中心视场，即轴上视场。在此视场下，通过测量可以获取不同失调状态的主次镜系统的三阶波像差系数。

需要说明的是，在装调过程中，主次镜系统一般存在装配误差，而主次镜系统存在着装配误差的状态被称之为失调状态。

步骤S2中，随机生成测试装配状态种子。随机生成种子的函数有多种，一般以Random（）来表示。

在本实施例中，选用java生成随机种子，其中，Random（）函数功能具有如下描述：java.util.Random类中实现的随机算法是伪随机，也就是有规则的随机，所谓有规则的就是在给定种(seed)的区间内随机生成数字；相同种子数的Random对象，相同次数生成的随机数字是完全相同的；Random类中各方法生成的随机数字都是均匀分布的，也就是说区间内部的数字生成的几率均等。

步骤S3中，将测试装配状态种子输入至仿真模型中进行数值模拟以获取三阶波像差系数模拟值。

需要说明的是，数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。

步骤S4中，通过已经获取的三阶波像差系数测量值与模拟值，代入函数计算公式，计算优化评价函数值。具体函数为：

步骤S5中，提前预设优化评价阈值，在本实施例中，优化评价阈值一般设置为10

步骤S6中，若优化评价函数值小于预设优化评价阈值，则输出测试状态种子的装配误差值为主次镜系统的装配误差值。

可见，本发明实施例所公开的装配误差计算方法，针对主次镜系统因存在“零慧差自由点” P 而导致计算装配误差时需要测量多个视场波像差的技术问题，现有技术认为解决该技术问题必须测量多个视场波像差。而本发明所提供的技术方案，通过常规检测装置即可获取三阶波像差系数测量值，通过预设的主次镜系统仿真模型即可获取三阶波像差系数模拟值；随后根据三阶波像差系数测量值与模拟值即可计算得出评价优化评价函数值，若评价优化评价函数值落入优化评价阈值范围内，则可获取主次镜系统的装配误差值。

相比于在实际工作中测量多个视场的波像差，本发明实施例所提供的方法具有逻辑清晰，步骤简单，无需测量多个视场，能节省大量的时间、人力和物力，具有更强的工程应用性和操作性。并且，本发明实施例所提供的系统也具有相同的功能，达到相同的技术效果。

请参阅图2，优选地，获取处于不同失调状态的主次镜系统的三阶波像差系数测量值，具体为：

A1.获取主次镜系统的第一失调状态参数；

A2.在第一失调状态参数中加入对应的预设误差值，形成第二失调状态参数；

A3.测量处于第一失调状态和第二失调状态的主次镜系统，获取分别对应第一失调状态和第二失调状态的三阶波像差系数测量值。

步骤A1中，主次镜系统处于第一失调状态时，获取其参数。在本实施例中，其参数可以表示为

需要说明的是参数的具体数值是未知的，但可以通过测量获取处于第一失调状态时的主次镜系统的三阶波像差系数测量值。

步骤A2中，在第一失调状态参数中加入对应的预设误差值，形成第二失调状态。其中，对应的预设误差值即是与各项参数相对应的预设误差值。如：

步骤A3中，通过测量，分别获取第一失调状态和第二失调状态的三阶波像差系数测量值。其中，第一失调状态的三阶波像差系数测量值可以表示为

优选地，第一失调状态参数具体为：

以主镜为装调基准，次镜分别沿X轴、Y轴、Z轴的偏心误差和次镜绕顶点分别沿X轴、Y轴的倾斜误差。

实际运用过程中，

请参阅图3，优选地，在第一失调状态参数中加入对应的预设误差值，形成第二失调状态参数，具体为：

A21.在第一失调状态参数中，选取若干个偏心误差和/或倾斜误差；

A22.分别对若干个偏心误差和/或倾斜误差加入对应的预设误差值，形成第二失调状态参数；

其中，第二失调状态参数为包含有若干个不同失调状态参数的集合。

步骤A21中，在所述第一失调状态参数中，选取若干个偏心误差和/或倾斜误差是可以从上述五个参数中（

请参阅图7，步骤A22中，分别对已选取的若干个偏心误差和/或倾斜误差加入对应的预设误差值，形成第二失调状态参数。其中，加入对应的预设误差值是通过精密调节平台1和镜片柔性夹持机构2控制次镜来实现的；其中像面（Image）是指在像点上做一个与光轴垂直的平面。

在本实施例中，第一次选取的是

第二次选取的是

因此，基于第二失调状态参数D

同样的，基于第二失调状态参数D

在实际运用过程中，还可以选取多个偏心误差和倾斜误差加入预设误差值，形成多个第二失调状态参数D

优选地，在获取分别对应所述第一失调状态和所述第二失调状态的三阶波像差系数测量值之后，还包括：

根据主次镜系统的光学设计参数、主次镜镜片面型加工误差构建主次镜系统仿真模型。

实际运用过程中，根据已知的主次镜系统的光学设计参数、主次镜镜片面型加工误差可以构建主次镜系统仿真模型。

在本实施例中，是将创建模型的步骤放在步骤S1之后，但在实际运用过程中，也可以放在步骤S1之前。无论放在步骤S1之前还是之后，目的均是通过建立模型进行数值模拟以获取三阶波像差系数模拟值。

请参阅图4，优选地，随机生成测试装配状态种子和所述将测试装配状态种子输入至预设的主次镜系统仿真模型中进行数值模拟以获取三阶波像差系数模拟值，具体为：

B1.随机生成一组测试装配状态种子，将其作为第一状态种子；

B2.获取第一状态种子参数；

B3.在第一状态种子参数中加入对应的预设误差值，形成第二状态种子参数；

B4.将第一状态种子参数与第二状态种子参数输入至主次镜系统仿真模型中进行数值模拟，获取第一状态种子和第二状态种子的三阶波像差系数模拟值。

步骤B1中，如上述所说，可以通过常规方法随机生成一组测试装配状态种子，与步骤A1对应的，将该组测试装配状态种子作为第一状态种子。

步骤B2中，读取第一状态种子参数，可以表示为

步骤B3中，在本实施例中，仿真中的多个不同失调状态与实际测试中的多个不同失调状态存在一定的对应关系，即选择引入确定失调的变量和数值的一样的。参照步骤A2中以

步骤B4中，将上述第一状态种子和第二状态种子的参数分别输入至数值仿真模型中，通过仿真计算得到该视场下的三组三阶波像差系数模拟值。其分别可以表示为

优选地，在根据三阶波像差系数测量值与三阶波像差系数模拟值，计算优化评价函数值中，计算评价优化函数的具体公式MF为：

其中，N为选取三阶波像差系数的个数，C

实际运用过程中，将已获取的三阶波像差系数测量值、三阶波像差模拟值、预设的选取三阶波像差系数的个数以及权重因子，对应的代入上述公式中，得到评价优化评价函数值。在本实施例中，所采用的具体公式MF为：

优选地，判断优化评价函数值是否大于等于预设优化评价阈值后包括：

若优化评价函数值大于等于预设优化评价阈值，则根据群体智能优化算法更新测试装配状态种子，并返回步骤S3。

实际运用过程中，当评价优化评价函数值大于等于预设优化评价阈值时，则根据群体智能优化算法更新测试装配状态种子。其中，群体智能优化算法有很多种，如遗传算法，粒子群算法，蚁群算法，模拟退火算法等等，这些群体智能优化算法都可以根据当前种子下计算得到的评价优化函数及其各自算法自己的更新迭代机制更新下一批种子，从而使得这些失调种子逼近实际装配误差，从而得到实际存在的装配误差值。这些智能优化算法已经是成熟的算法，在本发明中只是用来更新失调状态种子的工具。

随后，将更新后的测试装配状态种子返回至步骤S3中，获取新的三阶波像差系数模拟值，计算新的优化评价函数值，重新将新的优化评价函数值与预设优化评价阈值比较。重复此过程，直至优化评价函数值小于预设优化评价阈值，则输出主次镜系统的装配误差。

请参阅图5，一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算系统，包括：

获取模块，在单一视场下，用于获取处于不同失调状态的主次镜系统中的三阶波像差系数测量值；

模拟模块，用于随机生成测试装配状态种子，并将测试装配状态种子输入至预设的主次镜系统仿真模型中进行数值模拟以获取三阶波像差系数模拟值；

计算模块，用于根据三阶波像差系数模拟值与三阶波像差系数测量值计算优化评价函数值；

判断模块，用于判断优化评价函数值是否大于等于预设优化评价阈值；

输出模块，若优化评价函数值小于预设优化评价阈值，则将测试装配状态种子的装配误差值输出为主次镜系统的装配误差值。

实际运用过程中，获取模块获取处于不同失调状态的主次镜系统中的三阶波像差系数测量值，并将三阶波像差系数测量值发送至计算模块；模拟模块随机生成测试装配状态中，并将测试装配状态种子输入至预设的主次镜系统仿真模型中进行数值模拟，根据模拟结果获取三阶波像差系数模拟值，并将测试装配状态种子的装配误差值（即测试装配状态种子的参数）和三阶波像差系数模拟值发送至计算模块；计算模块根据三阶波像差系数模拟值与测量值计按照预设公式计算优化评价函数值，并将优化评价函数值与测试装配状态种子的装配误差值发送至判断模块。判断模块判断优化评价函数值与优化评价阈值的大小，若优化评价函数值小于优化评价阈值，则判断模块将装配状态种子的装配误差值发送至输出模块输出。

优选地，还包括：

调整模块，用于调整主次镜系统的第一失调状态参数，形成主次镜系统的第二失调状态参数；

更新模块，若优化评价函数值大于等于预设优化评价阈值，则用于根据群体智能优化算法更新测试装配状态种子。

实际运用过程中，不同失调状态包括第一失调状态与第二失调状态。其中，调整模块调整主次镜系统的第一失调状态参数形成第二失调状态参数。获取模块分别根据第一失调状态参数与第二失调状态参数，获取三阶波像差系数测量值。

若判断模块判断优化评价函数值大于等于预设优化评价阈值，则模拟模块将测试装配状态种子发送至更新模块，更新模块根据已预设的群体智能优化算法对测试装配状态种子进行更新。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

另外，在本发明各实施例中的各功能模块可以全部集成在一个处理器中，也可以是各模块分别单独作为一个器件，也可以两个或两个以上模块集成在一个器件中；本发明各实施例中的各功能模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令及相关的硬件来完成，前述的程序指令可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序指令在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于单视场的主次镜系统装配误差计算方法及系统进行了详细介绍。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。