基于Delphi的光學中心偏誤差分析軟件研制

蔣世磊等

摘要： 根據(jù)光學系統(tǒng)的裝校工藝過程，應用開發(fā)工具Delphi，研制了用于光學系統(tǒng)裝校的光學系統(tǒng)中心偏誤差分析軟件。該軟件提供了光學元件球心像位置計算和光學中心偏誤差分析的功能，人機界面友好、操作簡單方便，目前已經(jīng)較好地應用于高精度光學中心偏測量儀的光學裝校工藝過程的控制。

關鍵詞： 光學中心偏； 球心像； 誤差分析

中圖分類號： V 474文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.005

Abstract： A software for error analysis of optical centration error and optical alignment has been developed based on Delphi. The functions to evaluate the position of the image of measured surface center and to analyse the optical centration errors have been provided. The software also supplies userfriendly interface and is easily to operate. As an important tool， it has been successfully used in the optical centration error measuring instrument to guide the process of the high precision optical system assemble.

Keywords： optical decentration； central image； error analysis

引言隨著光學技術的飛速發(fā)展，各個領域?qū)鈱W系統(tǒng)的要求也越來越高。為了滿足高成像質(zhì)量的要求，相應的光學系統(tǒng)裝調(diào)精度越來越高，對于大口徑、大視場、高分辨率、無畸變光學系統(tǒng)的需求不斷增加。研發(fā)如此復雜的光學系統(tǒng)，不僅取決于光機設計和材料，還取決于加工制造及檢測技術。光學裝校是從零件到組裝成合格光學系統(tǒng)的最后一道關鍵工序，如何將復雜的設計按照設計的要求，穩(wěn)定、可靠、無變形、位置正確地組合成一個滿足設計要求的系統(tǒng)，對光學裝校設備及技術提出了越來越高的要求[12]。光學中心偏是光學儀器制造誤差中一項對整機光學系統(tǒng)裝配質(zhì)量影響較大，也是一項較難控制的誤差。由多鏡片構(gòu)成的光學系統(tǒng)由于各透鏡的光軸與系統(tǒng)光軸的偏差（中心偏）的存在，破壞了光學系統(tǒng)的共軸性，造成彗差、像散等一系列像差，從而破壞光學系統(tǒng)性能[34]。光學中心偏的存在將成為直接影響系統(tǒng)的分辨率、最小可分辨溫差（MTD）、作用距離等關鍵技術參數(shù)[56]。中心偏測量可對光學系統(tǒng)成像的質(zhì)量做出定性評價，而且還可調(diào)整光學系統(tǒng)的裝調(diào)工藝，使各透鏡組的光軸盡量共軸，以提高光學系統(tǒng)的質(zhì)量[7]。發(fā)達國家很早就對光學中心偏誤差進行了大量的分析研究工作，并先后研制出許多水平較高的中心偏測量儀和定心儀，其中大部分由計算機控制，但是基本屬于自用，工藝方法保密，產(chǎn)品出售價格昂貴。隨著項目資金的投入和關注度的提高，國內(nèi)愈來愈多的企業(yè)、大學和研究單位先后研制出多種多樣的定中心儀器，包括激光定中心儀、內(nèi)調(diào)焦定中心儀、光電定心儀、反射式膠合定中心儀、高精度中心偏測量儀等。這些儀器的成功研制，大大提升了我國的光學定中心技術，并大大推動了我國光學加工領域、光學裝調(diào)領域的發(fā)展[89]。目前普遍使用的光學中心偏測量儀，需要測量人員具備很好的光學基礎知識和人工控制儀器。由于需要人眼進行目視瞄準，使得裝調(diào)周期長，裝調(diào)反復性大，位置控制精度不高，同時需要記錄、處理數(shù)據(jù)的工作量也很大，因此研制光學中心偏誤差分析軟件輔助光學中心偏測量儀器十分必要[10]。

發(fā)工具，開發(fā)了光學系統(tǒng)中心偏誤差分析軟件，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該軟件采用模塊化設計，主要包括：光學系統(tǒng)球心像位置計算模塊和光學中心偏誤差分析模塊。采用Delphi開發(fā)工具有以下優(yōu)點：Delphi是全新的可視化編程環(huán)境，提供了一種方便、快捷的Windows應用程序開發(fā)工具；它使用了Microsoft Windows圖形用戶界面的許多先進特性和設計思想，采用了彈性可重復利用的完整的面向?qū)ο蟪绦蛘Z言，具有簡單、高效、功能強大的特點。2光學系統(tǒng)球心像位置計算在光學系統(tǒng)裝調(diào)過程中，系統(tǒng)各個面的球心像位置容易引起誤判。為了減少裝校和檢測過程中因不能準確、快速的找準各球面對應的球心像引起的誤判，提高系統(tǒng)裝校檢測效率，通過被測系統(tǒng)中各光學面的半徑、厚度、間隔、折射率等參數(shù)，編程實現(xiàn)計算各面球心像的位置，并按一定順序進行排列，便于測量時快速找像。根據(jù)球心像位置選用合適的內(nèi)調(diào)焦測量或附加物鏡測量，調(diào)整測量頭的對應位置，分別測出每個球心像的劃圓量。因此計算出每一個面的球心像位置可大大縮短裝調(diào)的找像時間，減少誤判，提高效率。

image of measured surface center該軟件模塊主要功能有：另存數(shù)據(jù)、載入數(shù)據(jù)、刪除選中的數(shù)據(jù)、清空數(shù)據(jù)、計算并顯示頂焦距、系統(tǒng)倒置、球心像位置計算和顯示，控件的安排情況如圖2所示。各控件的功能如下：（1）另存表格：用來實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的保存。（2）載入數(shù)據(jù)：打開以保存的光學系統(tǒng)數(shù)據(jù)。（3）刪除該行/清空數(shù)據(jù)：在輸入數(shù)據(jù)操作時，如果對當前輸入數(shù)據(jù)不滿意，可以使用“刪除該行”或“清空數(shù)據(jù)”。（4）顯示頂焦距：在進行球心像位置計算時，選擇“顯示頂焦距”，結(jié)果會增加頂焦距和焦距相應的數(shù)據(jù)。（5）數(shù)據(jù)框：在光學系統(tǒng)裝?；驒z測之前需要制定工藝方案，要輸入的數(shù)據(jù)主要包括各面半徑、鏡片厚度、間隔、折射率等參數(shù)。（6）球心像位置計算：計算結(jié)果將以.TXT文件格式打開，分別按順序排列。圖3為計算結(jié)果的輸出形式。（7）球心像位置顯示：將光學系統(tǒng)各面球心像位置分布及光學系統(tǒng)參數(shù)以.BMP格式保存，使結(jié)果更加直觀，圖4為球心像位置顯示界面。

光學中心偏誤差分析光學中心偏誤差分析的功能是將中心偏測量儀測得的被測光學系統(tǒng)每個面的偏心數(shù)據(jù)，利用光學設計軟件計算分析鏡組各球面偏心對系統(tǒng)像差的影響，給出偏心對系統(tǒng)像差影響的權重因子，同時軟件為使用者提供標準權重、等權權重和偏心權重等模式，重新評價各球面的偏心誤差，為處理計算得到每一面的偏心數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合出一條最佳軸線并計算出各實際球心相對于最佳軸線的偏離量。該軟件模塊主要功能有：另存數(shù)據(jù)、載入數(shù)據(jù)、刪除選中的數(shù)據(jù)、清空數(shù)據(jù)、權重選擇、偏心差計算和圖形顯示，控件的安排及運行情況如圖5所示。各控件的功能如下：（1）權重選擇：分析鏡組各球面偏心對系統(tǒng)像差的影響，給出偏心對系統(tǒng)像差的影響權重因子，重新修正各球面的偏心誤差。權重又可分為：標準權重（按照半徑分配）、等權權重（權重均相等）、偏心權重（依據(jù)各面的偏心要求）和自定義（用戶自定義偏心權重）。（2）數(shù)據(jù)框：“β內(nèi)”一欄輸入測量時所讀內(nèi)調(diào)焦測量頭的倍率。“β轉(zhuǎn)”一欄輸入測量頭所用轉(zhuǎn)像物鏡倍率。“β附”一欄輸入附加物鏡倍率，若沒有用，則輸入“1”?！癤1”，“Y1”分別為0°所測x，y方向的值；“X2”，“Y2”分別為180°所測x，y方向的值。（3）偏心計算：計算結(jié)果將以.TXT文件格式打開，其中0x′，0y′為測得的中心偏在X和Y方向的分量值；oo′為中心偏的絕對量，單位都為mm；oo′/r′為中心偏角偏差，單位為（"）；a為中心偏矢量在XY面上的方向角，該量表征中心偏量的方向，同時顯示出最佳基準軸變換結(jié)果，運行情況如圖6所示。

（4）圖像顯示：測量數(shù)據(jù)無法直觀看出被測件的真實中心偏。為使測量和計算結(jié)果更加直觀，特別增加了圖像顯示功能，該控件顯示包含了規(guī)劃前和規(guī)劃后的中心偏對比圖像。根據(jù)測出的每個面的球心點擬合出一個最佳光軸，顯示出每個面的球心到此最佳光軸的距離，來直觀表征被測件的光學質(zhì)量。圖7示出了球心像位置顯示界面。對于一個固定的透鏡，透鏡的中心偏是定值，然而由于安裝誤差的存在，同一片透鏡多次重復安裝后進行中心偏測量時測量結(jié)果都不同。為了減小這種安裝誤差，這里引入系統(tǒng)最佳光軸的概念，最佳光軸的確立是進行光軸擬合的結(jié)果，并通過計算出各光心相對于最佳光軸的偏心距離，為后面的裝校過程提供一個依據(jù)。4軟件工作過程用戶先輸入被測光學系統(tǒng)參數(shù)，計算出被測光學系統(tǒng)的各球面的球心像位置分布，并將計算結(jié)果圖形顯示。然后用戶參考該軟件計算結(jié)果和相應圖形，控制中心偏測量儀對被測光學系統(tǒng)進行檢測，微調(diào)焦面位置找準球心像。最后，利用中心偏測量儀測得的被測光學系統(tǒng)每個面的球心像數(shù)據(jù)，將測得的數(shù)據(jù)輸入光學系統(tǒng)誤差分析模塊的數(shù)據(jù)編輯框，軟件計算得到每一面的偏心數(shù)據(jù)。軟件程序采用最小二乘法擬合出一條最佳軸線并計算出各實際球心相對于最佳軸線的偏離量。根據(jù)測得的偏離量對被測光學系統(tǒng)進行裝調(diào)。軟件運行過程中，可隨時打印當前的計算結(jié)果及顯示圖形。5結(jié)論光學系統(tǒng)中心偏誤差分析軟件是根據(jù)實際生產(chǎn)需求開發(fā)的，選用了Delphi開發(fā)工具，并采用了模塊化設計方法。本系統(tǒng)軟件提供了光學系統(tǒng)球心像位置計算和光學中心偏誤差分析的功能。系統(tǒng)具有人機界面友好，操作簡單易行的特點，實現(xiàn)了整個光學系統(tǒng)裝校及檢測過程的可視化，裝校質(zhì)量分析的科學化。該軟件已在很多科研項目中得到了成功應用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效果良好，滿足了生產(chǎn)的需求。參考文獻：

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（編輯：張磊）