共轴光学系统装配精度分析及装调过程优化

摘要

共轴光学系统是许多高端光机的核心部件，目前，航空航天和光刻技术对共轴光学系统的成像质量要求越发严苛。加工和装配过程引入的光轴一致性误差会破坏系统多光轴的一致性状态，必须通过装配调整进行控制。传统装调方法装调精度低，装调周期长，现已逐渐被计算机辅助装调（CAA）所取代。然而，共轴光学系统光学元件数目多，装配关系复杂，受零部件结合面误差影响较大，适用于简单离轴光学系统装调的 CAA技术无法准确求解共轴光学系统失调量。所以研究共轴光学系统装调方法对于提高系统成像性能，缩短装调周期有重要意义。
　　本文主要以光轴一致性误差为主导，通过分析和控制典型共轴光学系统的装配精度对装调过程进行优化。首先，针对由镜组部件组成的典型共轴光学系统结构，提出以定中心基准轴传递路径作为分析结合面误差对光轴倾斜误差影响的载体，并提出光轴倾斜误差全局补偿优化的装调思路。其次分析了零件表面误差的描述方法，提出以最小二乘拟合平面作为实际装配平面，并研究了相关测算方法；根据齐次坐标变换法，建立描述单个零件加工误差和相邻零件装配误差的位姿变换矩阵，进而建立了光轴偏角与相对装入角度关系的计算模型。然后根据传递路径类型，建立以光轴偏角最小为目标函数的优化模型，提出遗传算法等优化方法；采用了 MTF作为系统像质综合评价标准，利用灵敏度分析法寻找高敏光轴倾斜误差项，由此分解得到若干子传递路径，设计光轴偏角优化顺序，得到一组合适的相对装入角度及其误差范围。最后总结提出了共轴光学系统光轴一致性装调方法的具体操作步骤，并利用 Zemax和 MATLAB对一个投影物镜进行了装调仿真优化分析和验证，证明了本文提出的利用零部件加工误差的全局优化方法可有效补偿光轴倾斜误差，也验证了计算模型和装调方法的可行性和实用性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2装配体误差的传递机理和建模方法研究现状

1.3光学系统精密装配技术研究现状

1.4课题研究的主要内容及结构安排

第2章 共轴光学系统的光轴一致性控制原理

2.1共轴光学系统误差源分析

2.2共轴光学系统典型结构分析

2.3共轴光学系统装调方法

2.4本章小结

第3章 共轴光学系统光轴偏角计算模型

3.1 圆环形装配平面的最小二乘法拟合

3.2 始末法线角和相对装入角度的关系

3.3光轴偏角和相对装入角度的关系

3.4本章小结

第4章 共轴光学系统的光轴偏角优化

4.1相邻轴线偏角的优化

4.2基于遗传算法的不相邻轴线偏角的优化

4.3多光轴一致性的合理控制

4.4本章小结

第5章 共轴光学系统装调过程优化的仿真分析和验证

5.1共轴光学系统装调方法总结

5.2实例仿真装调分析

5.3优化结果仿真验证

5.4本章小结

总结与展望

1 总结

2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 第5章实例分析子传递路径相关数据表格

附录C 攻读学位期间主要参与的研究项目