基于DWC波前检测的计算机辅助装调技术

随着空间技术水平的提高和现代战争的发展，对远距离空间目标的观测和监视性能提出了更高的需求。这就促使星载光电系统和远程光电预警设备的光学系统朝着大口径、长焦距、宽波段、小体积的方向发展。此时，传统透射式光学系统的设计面临体积、质量、材料选择等难题，而全反射式光学系统因为波段宽、无色差、体积小等特点，成为复杂系统设计首选的结构形式。为了提高系统光学效率，克服中心遮拦带来的光能损失，进-步提升分辨率，在同轴反射系统的基础上发展出了离轴反射式结构。与共轴系统不同，离轴系统每个元件都具有非对称的传播光束和成像光斑，旋转对称的光学理论和像差特性不再适用。若采用传统装调方法依靠简单的同轴调试设备来进行装调，由于无法建立与共轴系统-样的评判标准，对于可调参数的补偿方向和结果都无从而知，导致系统不可能达到设计的成像质量 J。因此，虽然离轴光学系统可以具有接近衍射极限的理论成像质量 ，但是，光学元件的加工和作者简介：刘 琳(1982-)女 ，工程师，从事红外成像系统研究工作。E-mail：bonnieliu1982###gmail.con收稿日期：20129-12激 光 与 红 外 No.4 2013 刘 琳等 基于 DWC波前检测的计算机辅助装调技术 429装调环节对系统的最终成像质量起决定性作用。针对超高精度要求、接近衍射极限成像质量的复杂光学系统，在光学设计和元件加工满足要求的条件下，提出了将干涉测量成分和优化技术相结合的计算机辅助装调(CAA)技术。

CAA技术的研究始于 20世纪 80年代，美国hek公司率先提出了计算机辅助装调的概念并开展研究，这-研究成果应用于实际光学系统的装调 ，成为 CAA技术的良好开端。此后，Arizona光学中心、俄罗斯、法国等也相继在这方面进行了研究，已应用到国防和商业等领域，并取得了较理想的效果。如美国 NASA发射的土星观测飞行器上装备的复合红外光谱仪的装调；美国的太空激光武器系统，将大量的光学元件集成在-个平台上，也采用了计算机辅助装调来调整光学元件 。与国外相比，CAA技术在国内的应用还处于初级阶段。随着国防和民用等各项领域的发展，复杂光学系统及离轴非球面光学系统的需求越来越迫切，适于常规同轴光学系统的装调方法已经无法满足需要，这将推动 CAA技术更快地发展。

2 CAA基础理论2.1 CAA模型CAA技术是针对传统装调方法不可规、不定量、随机成分多、装调周期长等缺陷提出来的新的装调手段，是将光学测量和计算机优化技术相结合的- 项先进光学装调技术。具体装调过程如 图 1所示 。

图 1 计算机辅助装调流程待测光学系统安装完成并经过粗装调后，经过波前检测，从出瞳面上获取光学系统的波相差，从中提取出系统成像质量的信息文件，通过计算机软件对得到的波像差进行处理和优化，与光学设计的理论值进行比对，给出系统的失调量，明确各个镜子的调整方向和具体的量值。再将失调量反馈给相应的拈，对光学元件的位置做出适当的调整，提高系统的波前像差。检测装调过程形成闭环回路，在调试过程中不断同理论值比较，直到系统成像质量接近于理论设计指标。因此，可见 CAA技术可将光学系统的像质调整至最佳状态，是提升高精度、复杂离轴光学系统成像质量的有效手段。

2.2 CAA关键技术计算机辅助装调中的关键技术是系统失调量的确定 ，即光学零件的实际位置和理论位置之间的差别，包括沿 ，，，z三个轴的偏移和相对于这三个轴的偏转。计算机辅助装调的目的是找到失调量和它们对应的像差的关系，所以CAA的数学模型可以通过下面的矩阵表达：AAXAF (1)其中，A是光学系统的灵敏度矩阵，由光学系统设计确定；AXX-Xo是系统的失调量矩阵；AFF-是系统成像质量随失调量的变化值。

式(1)建立了失调量与系统像差的数学模型，在已经进行的研究中，CAA技术的焦点集中在如何精确获取系统的失调量矩阵上。系统失调量的确定是-个数据处理过程，也是-个数值优化过程。失调量的获取要靠恰当的检测方法，这些方法的不同，决定了辅助装调方法的不同。已经报道的较为成熟的方法包括：星点法、干涉法和 Hartmann法 。无论是星点法还是干涉法，都需要辅助的光学系统检测出像质，再通过拟合计算得到系统的波前像差；Hartmann法在检测过程上是-大进步，原理简单、测量结果直接反应波前像差，可直接和光线追坚果比较，使得装调系统得到了简化，且提高了效率。

3 基于 DWC的 CAA模型3.1 DWC的优点DWC即为数字波前传感器，由法国 phasewiew公司的研究人员于2007年公开发布。与传统的波前测量 Hartmann法不同，它创新了-种数字算法，采用了智能化的波前数据采集方法，具有更高的分辨率和更宽的动态范围。同时，免去了用Hartmann法测量波前的微透镜阵列校准过程，提高了装调效率。本论文首次将 DWC用于CAA技术中，提出了新的求解失调量矩阵的方法。理论上该方法具有更高的准确度和装调效率。图 2为 Hartmann法和DWC采集的同-波前的图像，更高的分辨率对于实432 激 光 与 红 外 第 43卷(1)在硬件平台上验证基于 DWC的 CAA理论模型的正确性；(2)对失调量矩阵的获取方法进行优化改进，使得装调方案更加准确、高效；(3)编译可视化程序界面，在检测系统的计算机上建立直观、方便的操作终端。