專利名稱：空氣擾動(dòng)下的光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)建模和仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)建模仿真領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)建模工具的開發(fā)及在空氣擾動(dòng)下的光 學(xué)模型建立及仿真方法。
背景技術(shù)：
目前，高精密光機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)更多地需要借助光、機(jī)、電集成仿真來進(jìn)行。 該集成仿真技術(shù)是以一種仿真軟件作為核心通過建立數(shù)據(jù)接口來協(xié)同其它領(lǐng)域的專業(yè)軟 件進(jìn)行的同步仿真技術(shù)。但不同軟件之間進(jìn)行通信需要建立軟件間協(xié)議，建立連接，數(shù) 據(jù)傳輸，終止連接等步驟，勢必會(huì)影響仿真速度和穩(wěn)定性。在光機(jī)系統(tǒng)仿真時(shí)，是以 Matlab/Simulink作為主仿真環(huán)境，通過調(diào)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax或Code V來進(jìn)行光學(xué) 性能仿真及光學(xué)性能的評估。但這樣做經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)仿真延遲及中斷等問題，使仿真難以 進(jìn)行等技術(shù)問題?；谶@些技術(shù)問題，提出在Matlab環(huán)境下開發(fā)一套集成光學(xué)建模算法， 使仿真只在一種軟件環(huán)境下運(yùn)行。解決了集成仿真中軟件間通信造成的諸多問.題。
另外，對于高精密光機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)空氣的擾動(dòng)對系統(tǒng)性能的影響也是必須要考慮 的技術(shù)問題之一。但由于它的復(fù)雜性(涉及到諸如熱對流，熱輻射，流體擴(kuò)散等問題)， 一直困擾著設(shè)計(jì)師對這方面的深入認(rèn)識及工作的有效開展。目前還沒有比較有效的解決 模擬空氣擾動(dòng)的方法，本發(fā)明以空氣離散化為突破口，將空氣離散成諸多不同折射率的 棱鏡，空氣擾動(dòng)模擬為棱鏡面的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了空氣擾動(dòng)的仿真及空氣擾動(dòng)對光機(jī)系統(tǒng)性 能的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是通過將光機(jī)系統(tǒng)中的空氣離散化，將空氣的擾動(dòng)模擬 為剛性分割面的擾動(dòng)，以此來建立空氣擾動(dòng)光學(xué)模型；又依據(jù)光線追跡理論開發(fā)了集成
光學(xué)建模算法，借助該算法來實(shí)現(xiàn)空氣擾動(dòng)對光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)性能的仿真。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種空氣擾動(dòng)下的光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)建模和仿真方法，其特征在于包括以下步驟
(1) 將光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的空氣用平面進(jìn)行離散化分割；
(2) 空氣擾動(dòng)模擬為分割平面的剛性運(yùn)動(dòng)。這些剛性運(yùn)動(dòng)為微平動(dòng)和微轉(zhuǎn)動(dòng)的疊加；
(3) 通過光線追跡方法建立系統(tǒng)擾動(dòng)光學(xué)模型，包括反射光學(xué)單元的反射光學(xué)模型
3和離散化的各部分空氣的折射光學(xué)模型。反射光學(xué)模型遵循光線反射定律，折射光學(xué)模 型遵循光線折射定律；
(4)在Matlab環(huán)境下，依據(jù)建立好的光學(xué)模型計(jì)算系統(tǒng)擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣，擾動(dòng) 光學(xué)靈敏度矩陣中的兩個(gè)為主鏡的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣和次鏡的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣， 其余的三個(gè)為空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣；并將這些矩陣保存在Matlab的工作空間中；
(5)在Matlab/Simulink中新建仿真模型文件，在模型文件中加入輸入量模塊、輸出 量模塊和狀態(tài)空間模塊。狀態(tài)空間模塊的數(shù)目與擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣數(shù)目一致。并依次 將每個(gè)狀態(tài)空間模塊的"D"矩陣設(shè)置為不同的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣。最后將各模塊連接 起來進(jìn)行仿真
所述步驟(1)中離散后的每部分空氣的折射率為常數(shù)。
所述步驟(2)中剛性平面的微平動(dòng)和微轉(zhuǎn)動(dòng)各有三個(gè)分向量，分別為笛卡兒坐標(biāo)系 下的三個(gè)坐標(biāo)分量。
所述步驟(5)，在模型中，三個(gè)空氣擾動(dòng)靈敏度矩陣可表示為空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度 矩陣l，空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣2和空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣3，它們代表光線三次進(jìn) 入空氣系統(tǒng)的光線擾動(dòng)情況。這三個(gè)空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣的輸入量都為空氣擾動(dòng)面 的平動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)量；主鏡的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣和次鏡的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣的輸入量 分別為主鏡的平動(dòng)量與轉(zhuǎn)動(dòng)量和次鏡的平動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)-
1、 將空氣離散化，空氣擾動(dòng)模擬為擾動(dòng)面的微平動(dòng)和微轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣便不必考慮空氣流 體實(shí)際的復(fù)雜狀態(tài)，方便空氣擾動(dòng)模型的建立及仿真的實(shí)現(xiàn)；
2、 通過開發(fā)主仿真環(huán)境下的光學(xué)建模算法，使集成仿真在同一種軟件中進(jìn)行，避免了 軟件間的數(shù)據(jù)通信對仿真速度及穩(wěn)定性的影響；


圖1為本發(fā)明在光機(jī)系統(tǒng)中的空氣離散化模型； 圖2為光線在空氣折射面的追跡示意圖； 圖3為光線在反射面的追跡示意圖； 圖4為本發(fā)明進(jìn)行仿真時(shí)搭建的結(jié)構(gòu)框圖； 圖5為本發(fā)明在Simulink環(huán)境下的模塊仿真圖； 圖6為本發(fā)明在空氣擾動(dòng)下仿真得到的光線在像面上的軌跡圖； 圖7為本發(fā)明在空氣擾動(dòng)下仿真得到的每條光線的光程差分布圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，說明本發(fā)明怖實(shí)施例。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明'，本發(fā)明的 保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實(shí)施例對該領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。
本發(fā)明對空氣擾動(dòng)下光機(jī)系統(tǒng)建模和仿真的具體操作步驟如下
第一步首先將系統(tǒng)中的空氣進(jìn)行離散化分割，如圖1所示，根據(jù)空氣的擾動(dòng)狀態(tài) 設(shè)置每個(gè)分割面的運(yùn)動(dòng)形式，這些運(yùn)動(dòng)形式是七種運(yùn)動(dòng)形式(即三個(gè)方向的平動(dòng)和三個(gè)方 向的轉(zhuǎn)動(dòng))的疊加，同時(shí)要根據(jù)空氣的密度分布情況設(shè)置各部分空氣的折射率。
第二步運(yùn)用光線追跡方法追跡如圖2所示的光學(xué)模型，具體表述為以光機(jī)系統(tǒng)
主鏡的頂點(diǎn)為原點(diǎn)，建立系統(tǒng)基本坐標(biāo)y-01-x,如圖2所示，y軸沿光軸方向。以每個(gè)空 氣分割面與y軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系。在圖2中建立局部坐標(biāo)系y' —03-x'。 在圖中B與03重合，向量三角形^U"Q滿足關(guān)系^i-^i-^ (1) ， (1)式中&為 已知量，它由入射光線起始點(diǎn)坐標(biāo)確定。局部坐標(biāo)系原點(diǎn)03在基本坐標(biāo)y-01-x中的坐 標(biāo)為已知量，那么向量^為已知量，向量冗由式(1)求得。向量三角形J力5C滿足 ^3 +冗=冗(2) ， (2)式中向量冗為已知量，向量Z的模為未知量，向量^的 方向由入射光線方向確定，那么向量冗的方向向量為已知量。向量冗為未知量?？諝?擾動(dòng)面P1的法向量由03y'確定，它與向量冗有正交關(guān)系^V^ = 0(3)。由式(l)、
式(2)和式(3)可確定圖中的所有向量。向量冗的模表示光線在這部分空氣中的幾何 路程，那么光程為空氣折射率與幾何路程的乘積n/l冗l。光線由折射率為nl的空氣進(jìn)入
折射率為n2的空氣遵循折射定律Asin《-"2sin《(4) ， sin《由向量豆《和向量冗的 叉積求得，由式(4)求出sin《，折射光線的方向便可確定。隨后光線依次進(jìn)入n3， n4，，
在這些空氣部分的光線追跡運(yùn)算與上述光線追跡運(yùn)算相同，最后得到在鏡面附近的光線 入射點(diǎn)坐標(biāo)》，如圖3所示。反射面表示為Af = /-e2*^" (5),式中e表示反射面的偏 心率，^表示反射面的主軸向量。反射面附近的光線反射時(shí)，幾何路徑表示為Z:
(F .MJ)丄2 + 2F + / 》+ 2 乂) = 0 (6)
式中W。為反射面的曲率，表示為W。--/^ (7) ， (7)式中； 可表示為；7-/(1 + 。 (8) 。
(8)式中/表示反射面的焦距。光在這部分空氣中的光程可表示為折射率與幾 何路程的乘積mZ。光線在反射鏡上反射時(shí)由公式F-(/-2i^i^)f (9)可確定反射光線
的方向F。式中^表示在反射面上反射點(diǎn)處的單位法向量。光線依次經(jīng)過每個(gè)空氣部分和光學(xué)反射單元，最終得到光線在像面參考面的狀態(tài)，包括 c， y方向的坐標(biāo)和光線所經(jīng) 歷的總光程。光線所經(jīng)歷的總光程為光在每個(gè)空氣部分的光程和。
第三步在Matlab環(huán)境下，依據(jù)建立好的光學(xué)模型計(jì)算擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣。擾動(dòng) 光學(xué)靈敏度矩陣可表示為-
C附=
祝 SEM Sf"
祝0
汰"汲" 祝0
況
況
ra戸
(10)
式中Q^表示追跡忍條光線的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣，7^77表示追跡的第一條光線， 7"37歷表示追跡的第歷條光線，式中5"表示光線的最終狀態(tài)受初始光線狀態(tài)擾動(dòng)影響的
變化量，^表示光線的最終狀態(tài)受第-5w,
-木
光學(xué)單元擾動(dòng)影響的變化量，^表示光線的
最終狀態(tài)受第"個(gè)光學(xué)單元擾動(dòng)影響的變化量，光學(xué)單元包括反射鏡和空氣折射面。偏導(dǎo)
項(xiàng)！， ^L，…^可依據(jù)光線擾動(dòng)理論公式計(jì)算得到。擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣包括主鏡
汲0 5w"
擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣、次鏡擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣和三個(gè)空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣；并將 這些矩陣保存在Matlab的工作空間中。
第四步搭建仿真框圖，如圖4所示，空氣擾動(dòng)面的擾動(dòng)量分別輸入三個(gè)空氣擾動(dòng) 靈敏度矩陣中，但輸入順序根據(jù)光線傳輸方向的不同而不同，空氣擾動(dòng)面的擾動(dòng)量輸入 順序?qū)?空氣擾動(dòng)靈敏度1"和對"空氣擾動(dòng)靈敏度3"是相同的，空氣擾動(dòng)面的擾動(dòng)量 輸入順序?qū)?空氣擾動(dòng)靈敏度2"和對"空氣擾動(dòng)靈敏度1"是相反的。
第五步依據(jù)仿真框圖建立Simulink環(huán)境下的模塊仿真圖，如圖5所示，圖中有四 個(gè)空氣擾動(dòng)面的擾動(dòng)輸入量"Air Disurbance 1" ~ "Air Disurbance 4"，它們每個(gè) 都是包含七個(gè)量的亞系統(tǒng)，這七個(gè)量分別為在笛卡兒坐標(biāo)系下的繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)分量、繞 y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)分量、繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)分量、x方向的平動(dòng)量、y方向的平動(dòng)量、z方向的平動(dòng) 量以及最終光線的光程差。仿真開始前分別設(shè)置模塊"performance 1" ~ "performance 3"中的"D"參數(shù)為保存在Matlab工作空間中的"空氣擾動(dòng)靈敏度矩陣1"、"空氣擾 動(dòng)靈敏度矩陣2"和"空氣擾動(dòng)靈敏度矩陣3"。設(shè)置模塊"performance 4"和"performance 5"中的"D"參數(shù)為保存在Matlab工作空間中的主鏡擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣和次鏡擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣；每個(gè)"output"模塊都是用來匹配各個(gè)模塊的輸入量和輸出量的。最后 的"MATLAB Fcn"模塊調(diào)用了自行編制的程序，將計(jì)算得到的光線最終狀態(tài)量轉(zhuǎn)移到像 面上并顯示出來。通過設(shè)置仿真時(shí)間得到了光線在像面上的軌跡圖(如圖6所示)和每 條光線的光程差分布情況(如圖7所示)。
權(quán)利要求
1、空氣擾動(dòng)下的光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)建模和仿真方法，其特征在于包括以下步驟(1)將光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的空氣用平面進(jìn)行離散化分割；(2)空氣擾動(dòng)模擬為分割平面的剛性運(yùn)動(dòng)；這些剛性運(yùn)動(dòng)為微平動(dòng)和微轉(zhuǎn)動(dòng)的疊加；(3)通過光線追跡方法建立系統(tǒng)擾動(dòng)光學(xué)模型，包括反射光學(xué)單元的反射光學(xué)模型和離散化的各部分空氣的折射光學(xué)模型；(4)在Matlab環(huán)境下，依據(jù)建立好的上述系統(tǒng)擾動(dòng)光學(xué)模型計(jì)算系統(tǒng)擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣，擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣中的兩個(gè)為主鏡的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣和次鏡的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣，其余的三個(gè)為空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣；并將這些矩陣保存在Matlab的工作空間中；(5)在Matlab/Simulink中新建仿真模型文件，在模型文件中加入輸入量模塊、輸出量模塊和狀態(tài)空間模塊；狀態(tài)空間模塊的數(shù)目要與擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣數(shù)目一致；并依次將每個(gè)狀態(tài)空間模塊的“D”矩陣設(shè)置為不同的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣；最后將各模塊連接起來進(jìn)行仿真。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的空氣擾動(dòng)下的光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)建模和仿真方法，其特征在于 所述步驟(1)中離散后的每部分空氣的折射率為常數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣擾動(dòng)下的光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)建模和仿真方法，其特征在于 所述步驟(2)中剛性平面的微平動(dòng)和微轉(zhuǎn)動(dòng)各有三個(gè)分向量，分別為笛卡兒坐標(biāo)系下的 三個(gè)坐標(biāo)分量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣擾動(dòng)下的光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)建模和仿真方法，其特征在于 所述步驟(3)中的反射光學(xué)單元的反射光學(xué)模型都遵循光線反射定律，各部分空氣折射 光學(xué)模型都遵循光線折射定律。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣擾動(dòng)下的光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)建模和仿真方法，其特征在于 所述步驟(5)，在模型中，三個(gè)空氣擾動(dòng)靈敏度矩陣表示為空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣1， 空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣2和空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣3，它們代表光線三次進(jìn)入空氣 系統(tǒng)的光線擾動(dòng)情況；這三個(gè)空氣擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣的輸入量都為空氣擾動(dòng)面的平動(dòng) 量和轉(zhuǎn)動(dòng)量；主鏡的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣和次鏡的擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣的輸入量分別為 主鏡的平動(dòng)量與轉(zhuǎn)動(dòng)量和次鏡的平動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)量。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種在空氣擾動(dòng)下的光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)建模和仿真方法。通過開發(fā)集成光學(xué)建模算法(該算法的核心為光線追跡)，實(shí)現(xiàn)了在同一軟件內(nèi)部的光學(xué)性能評估，解決了以往在集成仿真中調(diào)用多個(gè)應(yīng)用軟件所帶來的諸多問題，使仿真更快，更穩(wěn)定。對于擾動(dòng)空氣的仿真，采用的方法是先將其離散化，把空氣的擾動(dòng)模擬為每個(gè)分割面的擾動(dòng)，每部分的空氣模擬為折射率不同的棱鏡，這種仿真方法將狀態(tài)復(fù)雜的空氣流體模擬為擾動(dòng)面的剛性擾動(dòng)，將復(fù)雜問題簡單化，便于計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)際操作。采用此方法，建模和仿真的操作簡單且失誤率低，只需利用集成光學(xué)建模算法編制程序，將設(shè)計(jì)好的光機(jī)系統(tǒng)參數(shù)及劃分好的空氣擾動(dòng)面各參數(shù)輸入該程序，便可計(jì)算出系統(tǒng)的各擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣。仿真時(shí)將模塊的參數(shù)設(shè)置為這些擾動(dòng)光學(xué)靈敏度矩陣，便可得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)受擾光學(xué)性能。另外該方法所要求的計(jì)算機(jī)硬件配置不高，適用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好。
文檔編號G06F17/50GK101551832SQ200910082589
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者戈 任, 史建亮 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所