CN106404352A - 一种大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，该测量方法中，平行光源(1)直接入射被测大视场望远镜(6)，视场改变是通过调整平行光源(1)的倾斜和俯仰姿态实现，全视场测量过程中，被测大视场望远镜(6)保持固定状态，计算机(3)、波前探测器(4)及其运动台(5)组成闭环定位结构，准确测量并定位被测大视场望远镜(6)像点的空间位置，对比像点的理想位置，拟合得到被测大视场望远镜(6)光学系统的畸变和场曲。本发明的测量方法操作简单高效、测量精度高，并能实现自动检测，为大视场望远镜光学系统校正畸变和场曲提供了可靠的测量数据。

Description

一种大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法

技术领域

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畸变与场曲的测量方法。

背景技术

大视场望远镜能够提高天文观测效率，但随着视场的增大，光学系统的畸变和场曲将会随之增大，畸变虽然不影响图像的清晰度，但其对图像的几何位置精度将会有直接影响，造成失真；场曲引起像面的清晰度不一致，降低成像质量。对于承担天体测量任务的大视场望远镜，必需采用有效措施抑制畸变和场曲的影响，才能保证望远镜的测量准确性，因此，畸变和场曲测量就显得非常重要。

目前国内外用来测评光学系统成像畸变的大致可分为两种，一是精密测长法，二是精密测角法。精密测长法是指将标定过的网格板放置在被测光学系统的物方位置，使被测光学系统的光轴垂直网格板并通过其中心，记录网格在像平面的图案，用精密的测量仪器测量出各不同视场位置上的目标像到中心的距离。例如在专利US5812260、US5471297、JP1123726等中描述的装置。精密测角法是在平行光管的焦面装上分划板或星点，然后平行光管或被测光学系统绕入瞳中心的垂直轴做相对转动，然后在像面直接测量分划中心或星点像的中心坐标，再通过计算像高来计算畸变，例如专利CN202522395等中描述的装置。

上述畸变测量方法主要存在以下不足，网格板的加工和装调精度直接影响到最终的结果，对于大视场望远镜来讲，制作相匹配的大口径、高精度的网格板比较困难，受人为因素影响较大；精密测角法中，一般采用弥散光斑来识别像点中心坐标，易受靶面位置误差影响。畸变作为现代光电测试中的一项重要参数，随着测量精度要求的提高，传统的方法已不能满足实际需要。

传统的场曲测量方法主要是截面法，又称哈特曼法，它将哈特曼光阑置于平行光管前，平行光管主光线通过被测光学系统的入瞳中心，调整焦前和焦后两个截面，计算出相应的子午焦点与弧矢焦点的坐标，然后测量不同视场下子午焦点和弧矢焦点的坐标，拟合计算所有视场下的坐标信息，计算得到场曲。该场曲测量方法原理简单、形象，但是操作步骤繁琐，受光阑加工、光斑计算等人为因素影响大。

另外，国内专利CN102540751、CN103278179、CN102994875、CN104216261等对投影物镜、平行光管、空间相机等光学系统的畸变和场曲测量提出了一些方法，但是对于大视场望远镜来讲，测量方法比较繁琐复杂，实用性不强。

针对上述现有方法中的不足，本发明提出了一种大视场望远镜光学系统的畸变和场曲测量方法，该方法利用波前传感器探测不同视场状态下，被测望远镜光学系统的波前信息，通过闭环控制结构调整波前传感器的位置和姿态，实现像点的准确定位，然后测量所有视场的像点位置，通过数学拟合计算，对比像点的理想位置，得到被测望远镜光学系统的畸变和场曲。

发明内容

为了解决目前畸变和场曲的传统测量方法中存在人为因素影响大，操作繁琐，精度较低的缺点，以及其他光学系统的测量方法不能满足大口径、大视场望远镜的应用要求等问题，本发明提供了一种大视场望远镜光学系统畸变和场曲测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，平行光源直接入射被测大视场望远镜，计算机、波前传感器及其运动台组成定位闭环结构，用于探测被测大视场望远镜的像点位置，主要检测步骤如下：

第一步：测量视场标记，根据视场范围和测量精度要求选择测量视场，并标记序号；

第二步：测量视场改变，利用调整台改变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；

第三步：像点定位，利用定位闭环结构使波前传感器运动至被测大视场望远镜的像点位置，并记录像点位置坐标；

第四步：全视场像点测量，根据第一步确定的测量视场，按序号重复第二步和第三步，直至全部完成，并记录所有像点位置；

第五步：畸变和场曲拟合，根据数学方法将记录的所有像点位置进行曲面拟合，对比理想像点位置，得到畸变和场曲结果。

更进一步的，所述的测量视场需在检测之前，根据被测大视场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。

更进一步的，所述的平行光源调整台的俯仰和倾斜是指垂直于平行光源光轴平面内两个正交旋转自由度，运动中心为被测大视场望远镜的入瞳中心。

更进一步的，所述的闭环定位结构由计算机、波前探测器及其运动台组成，波前探测器实时测量被测大视场望远镜出射波前信息，计算机处理波前信息，并提取倾斜、俯仰和离焦项数据和波前传感器光斑分布信息，运动台用于调整波前传感器的空间位置和姿态。

更进一步的，所述的波前传感器运动台具备六个空间自由度，具备自由度数据记录、存储、输入和输出功能；

更进一步的，所述的闭环定位结构的判据函数如下，

其中，C_j表示波前传感器中第j个子孔径单元的光强判据函数数值，N表示波前传感器的子孔径单元数量，Zn_tilt、Zn_tip、Zn_defocus分别表示被测大视场望远镜光学系统波前信息中的倾斜、俯仰、离焦项数据，e_tilt、e_tip、e_defocus分别表示像点位置的倾斜、俯仰、离焦项容许误差；

更进一步的，所述的像点位置坐标(D_x，D_y，D_z)表达式如下，

其中，x_h、y_h、z_h、u_h、v_h分别表示波前传感器运动台三个平移自由度，和两个垂直于光轴的旋转自由度，L表示像点与运动台基点间的距离。

更进一步的，所述的数学方法可以采用最小二乘法，也可以采用其他方法。

更进一步的，所述的波前传感器子孔径单元的光强判据函数如下，

其中，Ｉ、Ｉ_n分别表示子孔径内的探测光强和光强临界阈值。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的大视场望远镜光学系统畸变和场曲的测量方法，利用波前传感器探测不同视场状态下，被测大视场望远镜光学系统像点的倾斜和离焦，并通过闭环控制进行校正，更准确的找到其空间位置，拟合出全视场范围的畸变和场曲，克服了传统方法的人为因素影响大，操作繁琐、精度较低等缺点，提高了测量精度，简化了测量装置，减轻了人为因素影响，实现了自动测量，为大视场望远镜光学系统畸变和场曲的测量提供了一种行之有效的方法，同时为校正畸变和场曲提供了可靠的测量数据。

附图说明

图1为本发明的大视场望远镜光学系统畸变与场曲检测示意图。

图2为全视场畸变与场曲检测流程图。

图3为像点定位过程中波前传感器与像点之间位置关系示意图，其中，图3(a)为二者位置的运动模型，图3(b)为二者位置的数学模型。

图4为像点定位过程中波前传感器光斑分布示意图，其中，图4(a)为波前传感器调整前的光斑分布，图4(b)为波前传感器调整后的光斑分布。

图中附图标记含义为：1为平行光源，2为调整台，3为计算机，4为波前探测器，5为运动台，6为被测大视场望远镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

本发明涉及的检测装置见图1，主要包括平行光源1及其调整台2、波前探测器4及其运动台5、计算机3，计算机3、波前探测器4和运动台5组成闭环定位结构，用于探测被测大视场望远镜6的像点位置。

大视场望远镜光学系统畸变与场曲测量流程见图2，主要检测步骤为：

第一步：测量视场标记，根据视场范围和测量精度要求选择测量视场，并标记序号FOV_i；

第二步：测量视场改变，根据选择的测量视场FOV_i，通过调整台2将平行光源1的倾斜和俯仰姿态进行改变，使其满足相应的视场角，如图1所示，平行光源的出射光从实光线改变为虚光线；

第三步：像点定位，利用定位闭环结构使波前传感器4运动至被测大视场望远镜6的像点位置，并记录像点位置坐标，如图1所示，即从实光线像点运动到虚光线像点。图3给出了像点定位过程中波前传感器4与像点之间位置关系示意图，在图3(a)中，实心点表示测量视场FOV_i的像点，即目标点，空心点表示波前传感器4目前的焦点，也即上一测量视场FOV_i-1的像点，像点定位的目标是将波前传感器4的焦点与测量视场状态下被测大视场望远镜6的像点重合，图3(b)给出了数学描述，下面详细介绍定位闭环结构工作过程。

首先利用测量视场FOV_i的视场角，计算被测大视场望远镜6像点的理论位置，通过运动台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4所示，图4(a)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Zn_tilt，Zn_tip，Zn_defocus。

其次，计算机3根据子孔径光斑分布形式和波前信息，通过坐标耦合关系，向运动台5发送指令，在闭环过程中，实时调整运动指令。这里选取波前传感器4子孔径单元的光强判据函数来表示其光斑分布趋势，表达式如下，

其中，I、I_n分别表示子孔径内的探测光强和光强临界阈值，子孔径内的探测光强大于临界阈值，记为1，否则记为0。

闭环定位结构的判据函数如下，

C_j表示波前传感器4中第j个子孔径单元的光强判据函数数值，N表示波前传感器4的子孔径单元数量，Zn_tilt、Zn_tip、Zn_defocus分别表示被测大视场望远镜6光学系统波前信息中的倾斜、俯仰、离焦项数据，e_tilt、e_tip、e_defocus分别表示像点位置的倾斜、俯仰、离焦项容许误差。

根据闭环定位结构的判据函数，当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e_tilt、e_tip、e_defocus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4(b)所示。

最后根据运动台5记录的自由度数据，计算得到测量视场FOV_i状态下被测大视场望远镜6的像点位置，其坐标(D_x，D_y，D_z)表达式如下所示，

其中，x_h、y_h、z_h、u_h、v_h分别表示波前传感器4的运动台5的三个平移自由度，和两个垂直于光轴的旋转自由度，L表示像点与运动台5基点间的距离。

第四步：全视场像点测量，根据第一步确定的测量视场，按序号重复第二步和第三步，直至全部完成，并记录所有像点位置。

第五步：畸变和场曲拟合，将全部测量视场及其对应的像点坐标信息利用最小二乘法进行数据拟合，根据畸变和场曲的特性可知，像点坐标中沿光轴方向的坐标分量表示场曲信息，垂直于光轴方向的坐标分量表示畸变信息，对比像点的理想坐标，计算得到具体的畸变和场曲数值。

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。

Claims (9)

1.一种大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，其特征在于：平行光源(1)直接入射被测大视场望远镜(6)，计算机(3)、波前传感器(4)及其运动台(5)组成定位闭环结构，用于探测被测大视场望远镜(6)的像点位置，该测量方法包括如下检测步骤：

第一步：测量视场标记，根据视场范围和测量精度要求选择测量视场，并标记序号；

第二步：测量视场改变，利用调整台(2)改变平行光源(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：像点定位，利用定位闭环结构使波前传感器(4)运动至被测大视场望远镜(6)的像点位置，并记录像点位置坐标；

第四步：全视场像点测量，根据第一步确定的测量视场，按序号重复第二步和第三步，直至全部完成，并记录所有像点位置；

第五步：畸变和场曲拟合，根据数学方法将记录的所有像点位置进行曲面拟合，对比理想像点位置，得到畸变和场曲结果。

2.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，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。

3.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，其特征在于：所述的平行光源(1)的调整台(2)俯仰和倾斜是指垂直于平行光源(1)光轴平面内两个正交旋转自由度，运动中心为被测大视场望远镜(6)的入瞳中心。

4.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，其特征在于：所述的闭环定位结构由计算机(3)、波前探测器(4)及其运动台(5)组成，波前探测器(4)实时测量被测大视场望远镜(6)出射波前信息，计算机(3)处理波前信息，并提取倾斜、俯仰和离焦项数据和波前传感器(4)光斑分布信息，运动台(5)用于调整波前传感器(4)的空间位置和姿态。

5.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，其特征在于：所述的波前传感器(4)的运动台(5)具备六个空间自由度，具备自由度数据记录、存储、输入和输出功能。

6.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，其特征在于：所述的闭环定位结构的判据函数如下，

$\left\{\begin{array}{c}\underset{1}{\overset{N}{\&cap;}}{C}_j=1\\ {\mathrm{Zn}}_{tilt}<e_{tilt}\\ {\mathrm{Zn}}_{tip}<e_{tip}\\ {\mathrm{Zn}}_{defocus}<e_{defocus}\end{array}\right.$

其中，C_j表示波前传感器(4)中第j个子孔径单元的光强判据函数数值，N表示波前传感器(4)的子孔径单元数量，Zn_tilt、Zn_tip、Zn_defocus分别表示被测大视场望远镜(6)光学系统波前信息中的倾斜、俯仰、离焦项数据，e_tilt、e_tip、e_defocus分别表示像点位置的倾斜、俯仰、离焦项容许误差。

7.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，其特征在于：所述的像点位置坐标(D_x，D_y，D_z)表达式如下，

$\left\{\begin{array}{c}{D}_x=x_h+\frac{L\cot v_h}{\sqrt{1+{\cot }^2{u}_h+{\cot }^2{v}_h}}\\ D_y=y_h+\frac{L\cot u_h}{\sqrt{1+{\cot }^2{u}_h+{\cot }^2{v}_h}}\\ D_z=z_h+\frac{L}{\sqrt{1+{\cot }^2{u}_h+{\cot }^2{v}_h}}\end{array}\right.$

其中，x_h、y_h、z_h、u_h、v_h分别表示波前传感器(4)的运动台(5)三个平移自由度，和两个垂直于光轴的旋转自由度，L表示像点与运动台(5)基点间的距离。

8.根据权利要求1所述的大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，其特征在于：所述的数学方法可以采用最小二乘法，也可以采用其他拟合方法。

9.根据权利要求6所述的大视场望远镜光学系统畸变与场曲的测量方法，其特征在于：所述闭环定位结构的判据函数中，所述的波前传感器(4)子孔径单元的光强判据函数如下，

$C=\left\{\begin{array}{cc}0& I<I_n\\ 1& I\&GreaterEqual;I_n\end{array}\right.$

其中，I、I_n分别表示子孔径内的探测光强和光强临界阈值。