[发明专利]大口径空间光学系统外场波前像差检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学系统波前像差检测方法，基于Hartmann原理对大口径空间系统波前像差进行检测，解决了此类光学系统外场波前像差复检的难题，属于光学系统先进制造技术领域。

背景技术

空间光学系统是各类远距离观测、对地遥感设备的核心，其质量是设备成像能力、观测水平的决定性因素。随着需求的迅猛增长以及相关技术的不断进步，此类光学系统口径及焦距不断增大，整机成像质量检测难度也相应增加。尤其是系统脱离实验室状态、在外场条件下（组装测试、野外工作等），更需要有可靠、有效的技术手段检测系统波前像差，确保其达到指标要求。本发明将重点关注此类大口径空间系统波前像差的外场测试。

现有的空间光学系统外场波前像差检测方法，是通过平行光管模拟无穷远目标（目标一般为星点、分辨率板等），令光学系统对目标成像、并通过对所得图像的处理求取被测系统的波前像差。采用这种检测方法的必备条件是要搭建与被测光学系统口径、焦距相匹配的平行光管（口径大于被测系统、焦距至少二倍于被测系统）。随着空间光学系统口径、焦距不断增大，在外场条件下搭建满足测量要求的大口径、长焦距平行光管的难度也大幅度增加。当系统口径达到2m量级乃至更大时，即使是在实验室条件下也很难搭建满足要求的平行光管，而在外场条件下则更加难以实现。因此，现有的检测手段无法满足大（超大）口径空间光学系统的外场波前像差测量要求。

Hartmann法是一种通过测量波面各点斜率进而根据斜率反演波前像差的测量方法。

发明内容

为了解决现有的检测手段无法满足大口径空间光学系统的外场波前像差测量要求的问题，本发明通过运用Hartmann测量原理，提出一种简便的大口径空间光学系统外场波前像差测量方法，由于波面斜率可以逐点、分时测量，无需使用大口径平行光管，降低了此类系统外场波前像差的难度。

大口径空间光学系统外场波前像差检测方法，包括三个步骤：

步骤一：测量条件初始化，a）将四维调整架1和小口径平行光发生装置2放在被测光学系统3前的适当位置；通过辅助设备令小口径平行光发生装置2指向指定的视场，并锁死x、y方向转动装置；b）将被测光学系统3的光学参数、小口径平行光口径及测量所需的子孔径数目输入控制计算机5；子孔径拼接后的面积需覆盖被测系统单视场通光孔径的全部，相邻子孔径重叠面积由采样密度确定；c）根据初始参数，控制计算机5生成小口径平行光发生装置2的初始位置及运动轨迹；运动轨迹的走向由控制计算机5预先设定，但轨迹长度由被测光学系统3的通光口径及测量所需的子孔径数目确定；同时，控制计算机5还生成两个与采样密度相同维度的二维空矩阵用以存储测量数据，每个矩阵中的元素与小口径平行光发生装置2运动轨迹中的驻留位置一一对应；d）控制计算机5控制小口径平行光发生装置2运动至测量初始位置；

步骤二：波前斜率测量，将小口径平行光发生装置2调整至开启状态；发出的平行光经被测光学系统3，最终被会聚到图像传感器4上，此时图像传感器4上接受到的是点状光斑；控制计算机5控制图像传感器4记录该点状光斑，并将其存入缓存；再通过质心算法计算出该点状光斑质心位置的x、y坐标并将其存储为偏离矩阵中与小口径平行光发生装置2的位置相对应的元素；完成该操作后，控制计算机5根据步骤一中生成的运动轨迹控制小口径平行光发生装置2移动至下一位置，进行同样的光斑记录、数据处理与存储操作；以此类推，小口径平行光发生装置2按照其运动轨迹遍历整个被测光学系统3被测视场的通光口径，并在每个驻留位置进行光斑记录、数据处理与存储操作；测量结束后，可以得到表征被测光学系统3出瞳波面x方向斜率与y方向斜率的两个偏离矩阵；

步骤三：波前像差拟合，根据步骤二中生成的偏离矩阵与被测光学系统3的焦距可以计算得到被测光学系统3出瞳波面x方向斜率矩阵与y方向斜率矩阵；以斜率矩阵为输入，采用成熟的波面拟合算法，拟合得到被测光学系统3的出瞳波面。拟合过程中去除结果中的倾斜分量。

本发明的有益效果是：

1）本发明基于Hartmann原理实现了大口径空间光学系统波前像差的测量：通过逐点、分时测量波前各点的斜率，根据测得的斜率信息求取系统波前像差。在测量过程中无需使用大口径平行光管，降低了此类系统外场波前像差测量的难度及成本。

2）本发明提出的基于Hartmann原理的大口径空间光学系统波前像差的测量方法，可以灵活的控制测量孔径的尺寸、数目，满足不同精度、不同层次测量的需求。