一种适用于光学建模的实测面形数据处理方法

本发明涉及数据处理，具体提供一种适用于光学建模的实测面形数据处理方法。

背景技术：

1、空间光学载荷作为高科技的精密仪器，确保它在复杂的空间环境中具有可靠的光学性能十分重要。由于地面物理实验条件等的限制，部分重要的光学性能测试试验无法实施，集成仿真分析的结果可作为重要参考。因此，提高集成仿真建模的精度十分必要。

2、光学系统建模是空间光学载荷集成仿真分析的关键环节，光学元件面形数据是光学系统建模的核心数据之一。由于光学元件面形检测过程中的误差、元件检测坐标系及光学系统在光学软件中的坐标系的不一致性等因素的存在，在光学建模时，如果将实测光学元件面形数据直接加载到光学模型中会存在较大误差。为了保证光学模型更接近实际光学系统，如何将实测面形数据处理成更接近实际光学系统的且适用于高精度光学建模的面形数据至关重要。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种适用于光学建模的实测面形数据处理方法，解决了将实测面形数据直接加载到光学模型中误差较大的问题，将实测面形数据通过一系列数据处理，剔除光学元件检测过程中的误差，通过转换元件检测坐标系等过程将实测面形数据转换成适合高精度光学建模的面形数据，通过该方法可以有效提高光学系统性能仿真分析的精度。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、本发明提供的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，包括：

4、s1：提供被检光学元件的实测面形数据，对实测面形数据进行投影畸变校正；

5、s2：对校正后的实测面形数据进行mask，提取建模所需面形区域；

6、s3：将mask后的实测面形数据转换至建模系统坐标系；

7、s4：将建模系统坐标系下的实测面形数据进行可视化，修正异常数据点，获得用于光学建模的面形数据。

8、优选的，利用干涉仪采集被检光学元件的实测面形数据。

9、优选的，投影畸变校正的过程为：

10、依据被检光学元件的表面坐标系和检测坐标系之间的函数关系对实测面形数据进行投影畸变校正，检测坐标系为干涉仪采集被检光学元件的实测面形数据时，干涉仪探测面上对应的坐标系。

11、优选的，被检光学元件的面形为球面或非球面。

12、优选的，被检光学元件的面形为球面时，被检光学元件的表面坐标系和检测坐标系之间的函数关系为：

13、；

14、其中，为被检光学元件表面上的径向坐标，为被检光学元件的半径，为干涉仪测量的径向坐标，为干涉仪采集被检光学元件实测面形数据时所用标准镜的焦距。

15、优选的，被检光学元件的面形为非球面时，干涉仪采集实测面形数据过程中，设计补偿器对被检光学元件进行零位干涉检测，并在被检光学元件表面设多个定标靶贴，由干涉仪采集的实测面形数据获取每个定标靶贴在检测坐标系下的检测坐标，并利用检测坐标与每个定标靶贴在被检光学元件表面坐标系下的表面坐标构建被检光学元件的表面坐标系和检测坐标系之间的函数关系。

16、优选的，建模所需面形区域为在建模系统中被检光学元件的通光口径内的面形。

17、优选的，s3，依据被检光学元件的表面坐标系和检测坐标系之间的坐标转换关系，将mask后的实测面形数据转换至被检光学元件的表面坐标系，再将表面坐标系下的实测面形数据转换至建模系统坐标系。

18、优选的，修正异常数据点的方法包括：通过统计分析剔除偏离预设范围的数据点，再对实测面形数据进行平滑处理，并对缺失数据点进行插值。

19、优选的，还包括s5：将修正异常数据点后的实测面形数据转换成建模时所用光学软件可识别的数据格式。

20、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

21、本发明首次提出针对实测面形数据在检测过程中产生的误差进行剔除，通过一系列的投影畸变校正、mask处理、精密坐标变换和数据点修正，有效剔除了实测面形数据中的误差，提高了光学系统性能仿真分析的精度，有助于更准确地预测和评估光学系统在复杂空间环境中的性能，从而为光学载荷的设计和优化提供更可靠的参考。

22、本发明对实测面形数据进行了高精度坐标变换，将在检测坐标系下获得的实测面形数据经过处理最终转换到建模系统坐标系下，实现了在光学软件中进行仿真的坐标一致性，使得仿真模型更接近实际光学系统。

23、此外，本发明方法不仅可以应用于球面镜，还可以用于非球面镜，尤其是光学系统中常用的自由曲面镜，适用范围广，并且处理步骤清晰，易于按照步骤进行编程实现自动化处理，提高了数据处理的效率。

技术特征：

1.一种适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，利用干涉仪采集所述被检光学元件的实测面形数据。

3.如权利要求2所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，投影畸变校正的过程为：

4.如权利要求3所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，所述被检光学元件的面形为球面或非球面。

5.如权利要求4所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，所述被检光学元件的面形为球面时，所述被检光学元件的表面坐标系和检测坐标系之间的函数关系为：

6.如权利要求4所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，所述被检光学元件的面形为非球面时，干涉仪采集实测面形数据过程中，设计补偿器对所述被检光学元件进行零位干涉检测，并在所述被检光学元件表面设多个定标靶贴，由干涉仪采集的实测面形数据获取每个定标靶贴在检测坐标系下的检测坐标，并利用检测坐标与每个定标靶贴在所述被检光学元件表面坐标系下的表面坐标构建所述被检光学元件的表面坐标系和检测坐标系之间的函数关系。

7.如权利要求1所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，所述建模所需面形区域为在建模系统中所述被检光学元件的通光口径内的面形。

8.如权利要求1所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，所述s3，依据所述被检光学元件的表面坐标系和检测坐标系之间的坐标转换关系，将mask后的实测面形数据转换至所述被检光学元件的表面坐标系，再将表面坐标系下的实测面形数据转换至建模系统坐标系。

9.如权利要求1所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，修正异常数据点的方法包括：通过统计分析剔除偏离预设范围的数据点，再对实测面形数据进行平滑处理，并对缺失数据点进行插值。

10.如权利要求1所述的适用于光学建模的实测面形数据处理方法，其特征在于，还包括s5：将修正异常数据点后的实测面形数据转换成建模时所用光学软件可识别的数据格式。

技术总结
本发明涉及数据处理技术领域，具体提供一种适用于光学建模的实测面形数据处理方法，采集干涉仪获取的被检光学元件的实测面形数据，对其进行投影畸变校正，并根据建模需求，对实测面形数据进行mask处理，去掉不需要的部分数据，再对实测面形数据进行精密坐标变换，将其由检测坐标系转换至建模系统坐标系，最后对实测面形数据进行数据点修正，并转换成建模时所用光学软件可识别的数据格式，进行仿真建模。本发明解决了将实测面形数据直接加载到光学模型中误差较大的问题，有效剔除了实测面形数据中的误差，提高了光学系统性能仿真分析的精度。

技术研发人员：谷茜茜,白晓泉,李晓波,杨勋,班章,姜禹希,沐阳
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5