一种大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法

摘要

本发明涉及一种大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，包括以下步骤：第一步：基准视场标定；第二步：测量视场改变，调整平行光源(1)的出射角度；第三步：波前探测器(4)定位，根据定位闭环结构调整六维运动台(5)的位置和姿态，直至波前探测器(4)与被测大视场望远镜(6)处于共焦位置；第四步：成像质量检测，依据波前探测器(4)的测量数据，利用波前复原算法，得到被测大视场望远镜(6)的成像质量；重复第二步至第四步，直至完成全视场范围的检测。本发明解决了大视场望远镜光学系统成像质量的检测问题，克服了目前以中心视场成像质量近似表示全视场成像质量的不足，实现了全视场的自动检测，提高了检测准确度。

权利要求

1.一种大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，利用的检测装置包括平行光源(1)及其二维运动台(2)、波前探测器(4)及其六维运动台(5)、计算机(3)，其中计算机(3)、二维运动台(2)、六维运动台(5)和波前探测器(4)组成控制系统，并且计算机(3)、波前探测器(4)和六维运动台(5)组成定位闭环结构，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：第一步：基准视场标定，将平行光源(1)调整至中心视场位置，然后安装并调整波前探测器(4)至被测大视场望远镜(6)的共焦位置；

第二步：测量视场改变，通过二维运动台(2)调整平行光源(1)的倾斜和俯仰姿态，达到被测大视场望远镜(6)所需的入射视场角；

第三步：波前探测器(4)定位，根据定位闭环结构调整六维运动台(5)的位置和姿态，直至波前探测器(4)与被测大视场望远镜(6)处于共焦位置；

第四步：成像质量检测，计算机(3)依据波前探测器(4)的测量数据，利用相关的波前复原算法，计算得到被测大视场望远镜(6)光学系统的成像质量；

重复第二步至第四步，直至完成全视场范围成像质量的检测。

2.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，其特征在于：所述的平行光源(1)，可以采用反射式或透射式，有效口径需大于被测大视场望远镜(6)的有效口径。

3.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，其特征在于：所述的测量视场需在检测之前，根据被测大视场望远镜(6)的视场范围和检测要求确定，可以按方形或圆形分布形式选择。

4.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，其特征在于：所述的波前探测器(4)可以采用哈特曼传感器、剪切干涉仪或曲率测量仪。

5.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，其特征在于：所述的六维运动台(5)是指具备空间六个自由度的运动台。

6.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，其特征在于：所述的控制系统中，计算机(3)用于计算、存储波前信息和视场信息，其输入信息包括波前探测器(4)测量的波前信息，输出信息为二维运动台(2)的运动控制指令、六维运动台(5)的运动控制指令、所有视场状态下被测大视场望远镜(6)的成像质量。

7.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，其特征在于：所述的定位闭环结构由波前探测器(4)、六维运动台(5)与计算机(3)组成，波前探测器(4)测量波前信息，计算机(3)处理波前信息和子孔径光斑分布信息，并提取倾斜、俯仰和离焦数据，根据坐标耦合关系，调整六维运动台(5)空间姿态，直至实现波前探测器(4)的匹配透镜与被测大视场望远镜(6)处于共焦位置。

说明书

一种大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电望远镜检测技术领域，特别涉及一种大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法。

背景技术

[0002] 光学望远镜是人类认知太空的重要科学设备，科学家们针对不同的观测和研究目标，对光学望远镜的口径、焦距、工作波段、视场、成像质量等重要指标都提出了较高的要求。大视场光学望远镜在一定的天文观测时间内，能够获取更多的天体信息，提高了使用效率，一直受到科学家和天文观测者的青睐。

[0003] 目前，光学望远镜通常采用卡塞格林或格里高里系统，它的分辨力较高，成像质量达到衍射极限级别，但是视场有限，其全视场范围内的成像质量差别不大，因此可以仅检测其中心视场状态下的成像质量，代替全视场的检测结果。但是，针对大视场望远镜，特别是应用于空间测量领域，要求全视场范围内成像质量达到近衍射极限级别，就不能采用这种检测方法，因为在实际的工程研制过程中，不同视场状态下，加工、安装等因素引起的误差存在较大差别，中心视场的检测结果仅能够表示较小毗邻视场范围的成像质量，而不能表征全视场范围内的结果。

[0004] 针对目前望远镜成像质量检测方法中的不足，本发明提出了一种准确检测全视场成像质量的方法，并能自动完成检测。

发明内容

[0005] 为了解决目前望远镜光学系统成像质量检测中，存在的以中心视场检测结果近似表示全视场结果的问题，特别是针对全视场范围具备近衍射极限成像质量的大视场望远镜，本发明提供了一种大视场望远镜光学系统成像质量检测方法。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

[0007] 本发明采用的技术方案为：一种大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，利用的检测装置包括平行光源及其二维运动台、波前探测器及其六维运动台、计算机，其中计算机、二维运动台、六维运动台和波前探测器组成控制系统，计算机、波前探测器和六维运动台组成定位闭环结构，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：

[0008] 第一步：基准视场标定，将平行光源调整至中心视场位置，然后安装并调整波前探测器至被测大视场望远镜的共焦位置；

[0009] 第二步：测量视场改变，通过二维运动台调整平行光源的倾斜和俯仰姿态，达到被测大视场望远镜所需的入射视场角；

[0010] 第三步：波前探测器定位，根据定位闭环结构调整六维运动台的位置和姿态，直至波前探测器与被测大视场望远镜处于共焦位置；

[0011] 第四步：成像质量检测，计算机依据波前探测器的测量数据，利用相关的波前复原算法，计算得到被测望远镜光学系统的成像质量；

[0012] 重复第二至四步，直至完成全视场范围成像质量的检测。

[0013] 更进一步的，所述的平行光源，可以采用反射式或透射式，有效口径需大于被测望远镜的有效口径。

[0014] 更进一步的，所述的测量视场需在检测之前，根据被测望远镜的视场范围和检测要求确定，可以按方形或圆形分布形式选择。

[0015] 更进一步的，所述的波前探测器可以采用哈特曼传感器、剪切干涉仪或曲率测量仪。

[0016] 更进一步的，所述的二维运动台是指在垂直于平行光源光轴平面内具备两个正交旋转自由度的运动台。

[0017] 更进一步的，所述的六维运动台是指具备空间六个自由度的运动台。

[0018] 更进一步的，所述的系统控制结构中，计算机用于计算、存储波前信息和视场信息，其输入信息包括波前探测器测量的波前信息，输出信息为二维运动台的运动控制指令、六维运动台的运动控制指令、所有视场状态下被测大视场望远镜的成像质量。

[0019] 更进一步的，所述的定位闭环结构由波前探测器、六维运动台与计算机组成，波前探测器测量波前信息，计算机处理波前信息和子孔径光斑分布信息，并提取倾斜、俯仰和离焦数据，根据坐标耦合关系，调整六维运动台空间姿态，直至实现波前探测器的匹配透镜与被测大视场望远镜处于共焦位置。

[0020] 本发明具有以下的有益效果：

[0021] 本发明的大视场望远镜光学系统成像质量的检测方法，解决了大视场望远镜全视场成像质量检测的问题，克服了目前采用单视场检测结果近似表示全视场成像质量检测的不足，提高了检测结果的准确度。为大视场望远镜光学系统成像质量的检测提供了一种可以借鉴并行之有效地方法。

附图说明

[0022] 图1为大视场望远镜成像质量检测示意图。

[0023] 图2为视场划分示意图。

[0024] 图3为全视场成像质量检测流程图。

[0025] 图4为波前探测器定位流程图。

[0026] 图5为波前探测器定位过程中子孔径光斑分布示意图。

[0027] 图中附图标记含义为：1为平行光源，2为二维运动台，3为计算机，4为波前探测器，5为六维运动台，6为被测大视场望远镜。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做以详细说明。

[0029] 本发明涉及的检测装置见图1，主要包括平行光源1及其二维运动台2、波前探测器4及其六维运动台5、计算机3等，计算机3、二维运动台2、六维运动台5和波前探测器4组成控制系统，计算机3、波前探测器4和六维运动台5组成定位闭环结构。

[0030] 图1中，平行光源1采用了离轴反射式平行光源，并固定安装于二维运动台2工作面上，二维运动台2具备两个正交旋转自由度，即俯仰和倾斜，用于调整平行光源1入射被测大视场望远镜6的视场角。波前探测器4为哈特曼波前探测器，用于探测波前信息，六维运动台5具备空间六个自由度，用于调整波前探测器4的空间位置和姿态。计算机3主要有三项工作，一是计算、存储视场信息，控制二维运动台2的调整；二是处理波前探测器4记录的波前信息，在定位闭环结构中，利用波前信息中的倾斜、俯仰和离焦项数值，以及子孔径光斑分布信息，通过坐标耦合关系，向六维运动台5发送相应的运动指令；三是根据波前信息计算成像质量。控制系统的作用是满足全视场范围内视场改变、波前探测器4定位和成像质量计算的准确进行，定位闭环结构的作用是保证单个视场检测中，波前探测器4能够准确地与被测大视场望远镜6处于共焦位置。

[0031] 在成像质量检测前，先根据被测大视场望远镜6的视场范围和检测要求确定需要检测的视场，可以按方形、圆形等分布形式选择，如图2所示，图2中以不同视场像点位置作为识别，每个视场进行编号FOVi，对应的平行光源视场角为(ui，vi)，像点的坐标及姿态为(xi，yi，zi，αi，βi，γi)。

[0032] 图3给出了全视场成像质量检测的流程图，主要分为四步，如下做出详细介绍。

[0033] 第一步，基准视场标定，通常选择中心视场作为基准视场，记为FOV0，对应的平行光源1视场角为(u0，v0)，像点的坐标及姿态为(x0，y0，z0，α0，β0，γ0)。先将被测大视场望远镜6安装在检测台(未画出)，再利用二维运动台2将平行光源1调整至被测大视场望远镜6的中心视场位置，然后在被测大视场望远镜6的像点位置安装波前探测器4，并利用六维运动台5调整至共焦位置，如图1所示。

[0034] 第二步，测量视场改变，根据选择需要测量的视场FOVi，及上一个测量视场FOVi-1，使然后通过二维运动台2调整倾斜和俯仰角度θtukt，θtip，使平行光源1达到被测大视场望远镜6所需的入射视场角ui，vi，按图1所示的结构，可以计算出如下结果。

[0035] θtilt＝ui-ui-1，θtip＝vi-vi-1

[0036] 第三步，波前探测器定位，该步的目的是将波前探测器4从上一视场像点位置准确地调整至被测视场的像点位置，它利用定位闭环结构实现，如图1所示，像点从实点到虚点运动。图4给出了波前探测器4定位的流程图，首先利用测量视场FOVi的视场角ui，vi，计算被测大视场望远镜6像点的理论位置(x′i，y′i，z′i，)，计算公式如下，

[0037] x′i，＝f tan(vi)+x0

[0038] y′i，＝f tan(ui)+y0

[0039] z′i＝z0

[0040] 其中，f为被测大视场望远镜6的焦距，姿态与上一视场相同FOVi-1，为(αi-1，βi-1，γi-1)，通过六维运动台5将波前探测器4运动相应理论位置，在该像点附近寻找入射光，根据子孔径光斑的分布以及波前探测器4探测到波前信息中的倾斜、俯仰和离焦项数据闭环调整波前探测器4的位置和姿态，如图5所示，左图表示理想像点附近的子孔径光斑分布，左、上部分子孔径没有光斑，同时波前信息中存在的倾斜、俯仰和离焦项数据分别为Zntilt，Zntip，Zndefocus，此时，计算机根据子孔径光斑分布形式和波前信息，通过坐标耦合关系，向六维运动台5发送指令，在闭环过程中，实时调整运动指令，最终使所有子孔径都存在光斑，并且倾斜、俯仰和离焦项数据达到容许误差范围etilt、etip、edefocus，此时，闭环终止，波前探测器4调整至被测大视场望远镜6的共焦位置，子孔径光斑分布如图5右图所示，得到的像点位置和姿态数据如下式所示：

[0041] (x′i，y′i，z′i，αi-1，βi-1，γi-1)→(xi，yi，zi，αi，βi，γi)。

[0042] 第四步，成像质量测量，根据波前探测器4测量的波前信息，计算机利用波前复原算法，如模式法、区域法等，得到复原波面以及其面型的相关统计参数，进而转换为成像质量评价函数，如斯特列尔比SR等，如下式表示：

[0043]

[0044] σ表示复原波面面型的RMS值，λ表示平行光源1的波长，其他成像质量评价函数可以根据相关转换公式计算。

[0045] 控制系统根据测量视场顺序，重复第二步至第四步，直至完成全视场范围成像质量的检测。

[0046] 上述实施例仅是为了清楚说明本发明的举例，而并非对实施方式的限定。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。