基于光束指向稳定性分析的公差优化算法研究

摘要

光学系统的成像质量会受到多种因素的影响，除了设计过程中像差、衍射极限、拉赫不变量等内在约束，外部干扰所产生的像质退化现象也是不能忽略。对于激光器等以聚焦为目的的光学系统，外界微小扰动就很有可能对聚焦点位置产生巨大影响，从而降低聚焦的精度。故有必要使用光学分析软件对于外界干扰所带来的精度缺失进行仿真，并据此完成各项公差的优化，推算出合理偏差范围，使得聚焦误差被控制在一定程度，满足光学系统使用要求。
　　本文主要研究了外界干扰项中装配公差对于光学系统像质的影响，重点探索了远距离传输激光聚焦系统当存在元件偏心倾斜误差下会聚点偏移情况。整个研究过程基于矩阵光学理论，通过小量的近似可以得到关于偏心和倾斜公差的线性模型，配合自适应插值分析，最终可以优化得到适合的公差范围。相比常规的方法，本文所提出的自适应优化方式能更合理地分配各元件公差且分析消耗的时间相对更少。文中所涉及的分析平台主要基于本教研室自主研发的OTS建模仿真光学软件，同时也结合了Zemax中公差分析模块的设计方式。除此之外，针对所得出的线性公差模型，本文还建立了专门的实验验证系统模拟实际装配中偏心倾斜公差带来的影响，并证实了模型的可靠性。整个优化算法结合了光线追迹、数值分析、随机样本等相关内容，根据给定的光学系统可以求取满足工作要求的元件装配公差范围，相比常规的方法优化方式更为合理。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究目的与意义

1．3 课题研究现状

1．3．1 指向稳定性影响因素

1．3．2 指向稳定性分析方法

1．3．3 指向稳定性建模方法

1．4 课题研究内容和目标

2 聚焦系统光线追迹和成像分析

2．1 实际光线追迹

2．1．1 光线追迹基本方法

2．1．2 坐标变换

2．2 近轴光线追迹

2．3 像质分析

2．3．1 像质评价基本方法

2．3．2 聚焦系统像质评价

3 公差优化及系统仿真

3．1 自适应优化算法研究

3．1．1 公差模型建立

3．1．2 元件公差分配

3．1．3 蒙特卡罗分析

3．1．4 反馈系数计算

3．2 稳定性软件平台搭建

3．3 公差优化实例

4 公差模型验证

4．1 光学软件仿真

4．2 实验建模

4．3 数据对比及分析

5 总结与展望

5．1 课题工作总结

5．2 后续研究展望

参考文献

作者简历

硕士期间发表的论文