随着光学技术的飞速发展,各个领域对光学系统的要求也越来越高。为了满足高成像质量的要求,相应的光学系统装调精度越来越高,对于大口径、大视场、高分辨率、无畸变光学系统的需求不断增加。研发如此复杂的光学系统,不仅取决于光机设计和材料,还取决于加工制造及检测技术。光学装校是从零件到组装成合格光学系统的最后一道关键工序,如何将复杂的设计按照设计的要求,稳定、可靠、无变形、位置正确地组合成一个满足设计要求的系统,对光学装校设备及技术提出了越来越高的要求^[1-2]。

光学中心偏是光学仪器制造误差中一项对整机光学系统装配质量影响较大,也是一项较难控制的误差。由多镜片构成的光学系统由于各透镜的光轴与系统光轴的偏差(中心偏)的存在,破坏了光学系统的共轴性,造成彗差、像散等一系列像差,从而破坏光学系统性能^[3-4]。光学中心偏的存在将成为直接影响系统的分辨率、最小可分辨温差(MTD)、作用距离等关键技术参数^[5-6]。中心偏测量可对光学系统成像的质量做出定性评价,而且还可调整光学系统的装调工艺,使各透镜组的光轴尽量共轴,以提高光学系统的质量^[7]。

发达国家很早就对光学中心偏误差进行了大量的分析研究工作,并先后研制出许多水平较高的中心偏测量仪和定心仪,其中大部分由计算机控制,但是基本属于自用,工艺方法保密,产品出售价格昂贵。随着项目资金的投入和关注度的提高,国内愈来愈多的企业、大学和研究单位先后研制出多种多样的定中心仪器,包括激光定中心仪、内调焦定中心仪、光电定心仪、反射式胶合定中心仪、高精度中心偏测量仪等。这些仪器的成功研制,大大提升了我国的光学定中心技术,并大大推动了我国光学加工领域、光学装调领域的发展^[8-9]。

目前普遍使用的光学中心偏测量仪,需要测量人员具备很好的光学基础知识和人工控制仪器。由于需要人眼进行目视瞄准,使得装调周期长,装调反复性大,位置控制精度不高,同时需要记录、处理数据的工作量也很大,因此研制光学中心偏误差分析软件辅助光学中心偏测量仪器十分必要^[10]。 1 系统总结构及软件主界面

采用Delphi应用程序开发工具,开发了光学系统中心偏误差分析软件,系统总体结构图如图 1所示。该软件采用模块化设计,主要包括:光学系统球心像位置计算模块和光学中心偏误差分析模块。

图 1

Fig. 1

图 1 系统总体结构图 Fig.1 The sketch of system structure

采用Delphi开发工具有以下优点:Delphi是全新的可视化编程环境,提供了一种方便、快捷的Windows应用程序开发工具;它使用了Microsoft Windows图形用户界面的许多先进特性和设计思想,采用了弹性可重复利用的完整的面向对象程序语言,具有简单、高效、功能强大的特点。 2 光学系统球心像位置计算

在光学系统装调过程中,系统各个面的球心像位置容易引起误判。为了减少装校和检测过程中因不能准确、快速的找准各球面对应的球心像引起的误判,提高系统装校检测效率,通过被测系统中各光学面的半径、厚度、间隔、折射率等参数,编程实现计算各面球心像的位置,并按一定顺序进行排列,便于测量时快速找像。根据球心像位置选用合适的内调焦测量或附加物镜测量,调整测量头的对应位置,分别测出每个球心像的划圆量。因此计算出每一个面的球心像位置可大大缩短装调的找像时间,减少误判,提高效率。

该软件模块主要功能有:另存数据、载入数据、删除选中的数据、清空数据、计算并显示顶焦距、系统倒置、球心像位置计算和显示,控件的安排情况如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 球心像位置计算界面 Fig.2 The interface for the position of the image of measured surface center

各控件的功能如下:

(1)另存表格:用来实现输入数据的保存。

(2)载入数据:打开以保存的光学系统数据。

(3)删除该行/清空数据:在输入数据操作时,如果对当前输入数据不满意,可以使用“删除该行”或“清空数据”。

(4)显示顶焦距:在进行球心像位置计算时,选择“显示顶焦距”,结果会增加顶焦距和焦距相应的数据。

(5)数据框:在光学系统装校或检测之前需要制定工艺方案,要输入的数据主要包括各面半径、镜片厚度、间隔、折射率等参数。

(6)球心像位置计算:计算结果将以.TXT文件格式打开,分别按顺序排列。图 3为计算结果的输出形式。

图 3

Fig. 3

图 3 球心像位置计算结果 Fig.3 The calculation results of the image positions of measured surface center

(7)球心像位置显示:将光学系统各面球心像位置分布及光学系统参数以.BMP格式保存,使结果更加直观,图 4为球心像位置显示界面。

图 4

Fig. 4

图 4 球心像位置显示界面 Fig.4 The display of the positions of the images of measured surfaces center

光学中心偏误差分析的功能是将中心偏测量仪测得的被测光学系统每个面的偏心数据,利用光学设计软件计算分析镜组各球面偏心对系统像差的影响,给出偏心对系统像差影响的权重因子,同时软件为使用者提供标准权重、等权权重和偏心权重等模式,重新评价各球面的偏心误差,为处理计算得到每一面的偏心数据,采用最小二乘法拟合出一条最佳轴线并计算出各实际球心相对于最佳轴线的偏离量。

该软件模块主要功能有:另存数据、载入数据、删除选中的数据、清空数据、权重选择、偏心差计算和图形显示,控件的安排及运行情况如图 5所示。

图 5

Fig. 5

图 5 光学中心偏误差分析界面 Fig.5 The interface of error analysis

(1)权重选择:分析镜组各球面偏心对系统像差的影响,给出偏心对系统像差的影响权重因子,重新修正各球面的偏心误差。权重又可分为:标准权重(按照半径分配)、等权权重(权重均相等)、偏心权重(依据各面的偏心要求)和自定义(用户自定义偏心权重)。

(2)数据框:“β内”一栏输入测量时所读内调焦测量头的倍率。“β转”一栏输入测量头所用转像物镜倍率。“β附”一栏输入附加物镜倍率,若没有用,则输入“1”。“X1”,“Y1”分别为0°所测x,y方向的值;“X2”,“Y2”分别为180°所测x,y方向的值。

(3)偏心计算:计算结果将以.TXT文件格式打开,其中0x′,0y′为测得的中心偏在X和Y方向的分量值;oo′为中心偏的绝对量,单位都为mm;oo′/r′为中心偏角偏差,单位为(");a为中心偏矢量在X-Y面上的方向角,该量表征中心偏量的方向,同时显示出最佳基准轴变换结果,运行情况如图 6所示。

图 6

Fig. 6

图 6 偏心差计算结果 Fig.6 The calculation results of centration errors

(4)图像显示:测量数据无法直观看出被测件的真实中心偏。为使测量和计算结果更加直观,特别增加了图像显示功能,该控件显示包含了规划前和规划后的中心偏对比图像。根据测出的每个面的球心点拟合出一个最佳光轴,显示出每个面的球心到此最佳光轴的距离,来直观表征被测件的光学质量。图 7示出了球心像位置显示界面。

图 7

Fig. 7

图 7 球心像位置显示 Fig.7 The display of the positions of the images of measured surfaces

对于一个固定的透镜,透镜的中心偏是定值,然而由于安装误差的存在,同一片透镜多次重复安装后进行中心偏测量时测量结果都不同。为了减小这种安装误差,这里引入系统最佳光轴的概念,最佳光轴的确立是进行光轴拟合的结果,并通过计算出各光心相对于最佳光轴的偏心距离,为后面的装校过程提供一个依据。 4 软件工作过程

用户先输入被测光学系统参数,计算出被测光学系统的各球面的球心像位置分布,并将计算结果图形显示。然后用户参考该软件计算结果和相应图形,控制中心偏测量仪对被测光学系统进行检测,微调焦面位置找准球心像。最后,利用中心偏测量仪测得的被测光学系统每个面的球心像数据,将测得的数据输入光学系统误差分析模块的数据编辑框,软件计算得到每一面的偏心数据。软件程序采用最小二乘法拟合出一条最佳轴线并计算出各实际球心相对于最佳轴线的偏离量。根据测得的偏离量对被测光学系统进行装调。软件运行过程中,可随时打印当前的计算结果及显示图形。 5 结 论

光学系统中心偏误差分析软件是根据实际生产需求开发的,选用了Delphi开发工具,并采用了模块化设计方法。本系统软件提供了光学系统球心像位置计算和光学中心偏误差分析的功能。系统具有人机界面友好,操作简单易行的特点,实现了整个光学系统装校及检测过程的可视化,装校质量分析的科学化。该软件已在很多科研项目中得到了成功应用,系统运行稳定,效果良好,满足了生产的需求。