CN107132028B - 大视场离轴三反光学系统mtf测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便于操作、易实现的大视场离轴三反光学系统MTF测试装置及测试方法。其中测试方法是先利用五棱镜和自准直经纬仪确定平面反射镜的具体位置，保证平面放射镜将光路进行90°折转，使平面反射镜的反射光路完全进入被测离轴三反光学系统的视场内，然后对MTF测量系统的探测器进行偏转，最终找到准确的像面位置，由MTF测量系统测量传递函数。

Description

大视场离轴三反光学系统MTF测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种大视场离轴三反光学系统MTF(传递函数)测试装置及测试方法。

背景技术

国内外空间光学系统总的发展趋势是向着长焦距、大视场、轻重量、小外形尺寸、大相对孔径、高成像质量方向发展，这使得人们对反射系统设计的兴趣日益增加。

目前反射系统主要有同轴式、共轴式和离轴式这几种形式。

同轴光学系统可用视场有限，观测画幅太小，且中心有遮拦致使同轴光学系统的MTF受到限制，因此同轴光学系统的发展受到了一定的限制。

共轴两反射镜和多反射镜系统已成功地应用于空间遥感领域，获得了高分辨率的遥感图像。

离轴式光学系统对扩大系统的视场、提高系统分辨率、杂光抑制等方面具有共轴光学系统无法比拟的优势，因而越来越引起光学设计者的注意。离轴三反光学系统有3个曲率半径，2个间隔，3个二次非球面系数，8个参数变量，在满足系统焦距的同时可以校正球差，慧差，像散和场曲4种单色像差，达到像质优良，MTF高等特点。

由于一般的光学系统入光口和出光口是相对的，不在同一个平面上，而离轴三反光学系统的出光口和入光口在同一个平面上，使得现有常用的传递函数测试方法无法直接应用于离轴三反光学系统的MTF测试；另外，离轴三反光学系统的光路比较特殊，使得其传递函数测试具有较大的难度。

发明内容

为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供了一种便于操作、易实现的用于大视场离轴三反光学系统传递函数测试装置及测试方法。

本发明的思路是：

先利用五棱镜和自准直经纬仪确定平面反射镜的具体位置，保证平面放射镜将光路进行90°折转，使平面反射镜的反射光路完全进入被测离轴三反光学系统的视场内，然后对MTF测量系统的探测器进行偏转，最终找到准确的像面位置，由MTF测量系统测量传递函数。

本发明的技术解决方案是：

大视场离轴三反光学系统MTF测试装置，包括目标星点、平面反射镜一、MTF测试系统，其特征在于：还包括离轴抛物面镜、五棱镜、自准直经纬仪；

所述离轴抛物面镜用于接收所述目标星点发出的光源；

所述五棱镜用于确定所述自准直经纬仪的安装位置和姿态及平面反射镜一的安装位置；

安装所述自准直经纬仪时，所述五棱镜设置在所述离轴抛物面镜的反射光路上，所述自准直经纬仪位于五棱镜的出射光路上，且自准直经纬仪的方位和俯仰能使目标星点的像落在自准直经纬仪的十字中心；

安装所述平面反射镜一时，移开所述五棱镜，所述平面反射镜一设置在所述五棱镜的原位置处，且平面反射镜一的姿态能使目标星点的像落在自准直经纬仪的十字中心；

所述MTF测试系统的探测器位于被测离轴三反光学系统的出光口处，且MTF测试系统的探测器的接收面与被测离轴三反光学系统的像面平行。

进一步地，上述大视场离轴三反光学系统MTF测试装置还包括平面反射镜二；平面反射镜二为辅助设备，用于对被测离轴三反光学系统进行光路自准；在对被测离轴三反光学系统进行光路自准时，平面反射镜二设置在被测离轴三反光学系统的入光口的机械安装面上。

进一步地,上述MTF测试系统的探测器采用可见光波段探测器或红外探测器。

进一步地，上述大视场离轴三反光学系统MTF测试装置还包括第一转台和第二转台；第一转台用于调整所述五棱镜和平面反射镜的姿态；第二转台用于调整所述MTF测试系统的探测器的姿态。

进一步地，上述大视场离轴三反光学系统MTF测试装置还包括与所述第一转台固连的升降台。

进一步地，上述大视场离轴三反光学系统MTF测试装置还包括用于安装所述自准直经纬仪的支架。

本发明同时提供了一种大视场离轴三反光学系统MTF测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)MTF测试系统的探测器选用可见光波段的探测器；打开MTF测试系统，点亮MTF测试系统的光源，安装好目标星点，将离轴抛物面镜设置在目标星点发出的光源的光路上，将五棱镜设置在离轴抛物面镜的反射光路上，将自准直经纬仪和被测离轴三反光学系统依次设置在五棱镜的出射光路上，且被测离轴三反光学系统的入光口位于五棱镜的出射光路的光轴上；

2)调整自准直经纬仪的方位和俯仰，使目标星点的像落在自准直经纬仪的十字中心，然后将自准直仪的方位和俯仰示数清零；

3)移走五棱镜，将平面反射镜放置在五棱镜的原位置处，保持自准直经纬仪的方位和俯仰不变，调整平面反射镜的姿态，使目标星点像落在自准直经纬仪的十字刻线的中心；

4)观察被测离轴三反光学系统的入光口是否被平面反射镜的反射光束覆盖，如未被覆盖，调整平面反射镜直至被测离轴三反光学系统的入光口被覆盖；

5)将平面反射镜二放置在被测离轴三反光学系统的入光口的机械安装面上，调整被测离轴三反光学系统的方位和俯仰，当目标星点像原路返回时被测离轴三反光学系统的光路自准完成；

6)将MTF测试系统的探测器转台旋转83.5度，找到像面，进行可见光波段的MTF测试。

进一步地，上述测试方法还包括步骤7)红外波段的MTF测试，具体为：

将MTF测试系统的探测器更换为红外波段的探测器，前后移动红外波段的探测器的位置，在放置红外探测器的转台上发生微小角度的偏转，MTF测试系统自带的锁相放大器上的信号最强时，进行红外波段的MTF测试。

与现有离轴三反光学系统的MTF测试系统和方法相比，本发明的优点是：

1、本发明利用五棱镜和自准直经纬仪能够快速、准确、方便地确定平面反射镜的精确位置，在测量MTF时，仅需利用平面反射镜将光路折转进入被测离轴三反光学系统的视场内，即可完成MTF测试，解决了复杂光学系统传递函数测试的困难。

2、本发明适用于大视场双波段离轴三反光学系统的MTF测试，在可见波段的MTF测试中，确定好被测双波段离轴三反光学系统的焦面位置后，仅需将MTF系统的可见光探测器更换为红外探测器，在原可见光探测器的位置上通过观察MTF测试系统自带的锁相放大器上的能量变化，微调红外探测器的前后位置即可顺利进行红外波段的MTF测试。

3、本发明在完成光路调节的同时可以实时对MTF系统的探测器进行更换，能适用于双波段(可见光波段和红外光波段)、特殊结构的光学系统传递函数测试，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明测试装置一具体实施例的结构示意图；

图2是被测离轴三反光学系统的像面与光轴之间的角度关系图；

图中标号：1-目标星点、2-离轴抛物面镜、3-第一转台、4-平面反射镜、5-五棱镜、6-被测离轴三反光学系统、7-MTF测试系统的探测器、8-自准直经纬仪。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的具体思路和原理，这里首先介绍一下大视场离轴三反光学系统的主要特点：

特点一：大视场离轴三反光学系统的入光口和出光口共面(物方与像方在同一面上)。

一般的MTF测试过程中，需要对光路进行自准调节，以便在测试过程中确定中心视场的MTF准确性。

光路自准调节主要分为两部分，一部分是整个测试装置的光路自准，即通过调整MTF测试系统方位和俯仰，使得MTF测试系统的探测器的反射光路与MTF测试系统的光轴平行。另一部分是对被测离轴三反光学系统的光路进行调整，即通过调整被测离轴三反光学系统方位和俯仰，使得被测离轴三反光学系统的反射光路与MTF测试系统的光轴平行。

第一部分光路自准调整只需用一个反射镜(辅助设备)靠在MTF测试系统的探测器前面，微调探测器的方位和俯仰，使星点像原路返回即可。但另一部分的光路自准调整需要将反射镜(辅助设备)放置在被测离轴三反光学系统的入光口的基准面上，对光路进行自准。但对于物方与像方在同一面上的光学系统来说，这种方法是不可行的，光路无法原路返回。目标星点发出的光源直接被光学系统挡住，即光源不能进入光学系统内部，因此无法完成测试。

特点二：大视场离轴三反光学系统的像面与光轴不垂直，存在一定的夹角。一般的光学系统像面与光轴垂直的，但本发明中涉及的光学系统像面有偏转，探测器需旋转一定的角度才能与光学系统像面平行。这个角度需要通过计算得到。

特点三：对于双波段(即可见和红外波段)的大视场离轴三反光学系统是双波段共焦面，所以在可见波段的传递函数测试中，确定好像面位置后，更换红外探测器，仅需要在原有的位置上通过观察锁相放大器上的能量变化，微小的移动红外探测器的前后位置以及转动小转台一定的小角度，即可顺利进行红外波段的传递函数测试。

接下来我们结合附图对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明所提供的大视场离轴三反光学系统MTF测试装置，包括目标星点1、离轴抛物面镜2、第一转台3、平面反射镜一4、MTF测试系统、自准直经纬仪8(安装在支架上)、第二转台、五棱镜5。

五棱镜5、自准直经纬仪8和被测离轴三反光学系统6依次设置在同一光轴上，五棱镜5用于确定自准直经纬仪8和被测离轴三反光学系统6的安装位置和方位和俯仰；

自准直经纬仪8在完成平面反射镜一4和五棱镜5的转换后，使系统光路折转90°进入被测离轴三反光学系统的入瞳。

为避免人为旋转平面反射镜一4产生的误差，将平面反射镜一4放置在第一转台3上，由第一转台3控制其旋转。在第一转台3上还可以设置升降台，必要时需对平面反射镜一4的高低进行调节，使得折转后的光束能充满/全部进入被测离轴三反光学系统的入瞳。

MTF测试系统的探测器7设置在被测离轴三反光学系统6的出光口处，MTF测试系统用于完成特殊像面的MTF数据采集。探测器7采用可见光探测器和红外探测器，首先采用可见光探测器进行可见光波段的MTF测试，然后用红外探测器替换可见光探测器，微调后进行红外波段的MTF测试。

同样，为避免人为旋转MTF测试系统的探测器7产生的误差，将MTF测试系统的探测器7设置在第二转台上。

利用图1所示测量系统测量被测离轴三反光学系统6的MTF的具体方法为：

1、将五棱镜5放置在第一转台3上，调整第一转台3，使目标星点1发出的光源折转到自准直经纬仪8的视场内，调节自准直经纬仪8的方位和俯仰，将目标星点1的像落在自准直经纬仪8的十字中心，然后将自准直经纬仪8的方位和俯仰示数清零；

2、移走五棱镜5，将平面反射镜一4放置在五棱镜5的原位置处，保持自准直经纬仪8的方位和俯仰不变(即保持自准直仪8的姿态不变)，调整平面反射镜一4的姿态，使目标星点1的像落在自准直经纬仪8的十字刻线的中心，此时平面反射镜与光轴成45度，待光源稳定后进入下一步骤；

3、观察被测离轴三反光学系统6的入光口是否被平面反射镜一4的反射光束覆盖，如未被覆盖，调整平面反射镜一4直至被测离轴三反光学系统6的入光口被覆盖(此时经平面反射镜折转的光路全部充满被测离轴三反光学系统的入瞳)；

4、将平面反射镜二(辅助设备)放置在被测离轴三反光学系统的入光口的机械安装面上，调整被测离轴三反光学系统的方位和俯仰，使目标星点像原路返回，此时认为被测离轴三反光学系统的光路自准完成；

5、将MTF测试系统的探测器转台先顺时针旋转78°，因像面与光轴存在90°夹角，(本步骤中可以将MTF测试系统的探测器转台一次性旋转83.5°，这里分开旋转，是为了说明实际的像面的特殊性)，随后在此基础上再沿同一方向旋转5.5°(角度关系见图2)，找到实际的像面即可进行可见光波段的MTF测试；

本步骤中确定实际的像面的依据：由于所有的光路调整都是以次镜为基准，次镜光轴为系统主轴。整个系统出射光束以偏置光路实现，系统主轴与出射光束成12°。本发明设计焦平面与主轴成83.5°，在误差允许范围内，认为次镜加工是理想的，此时以次镜为基准，则次镜的后表面与焦面成5.5°，参见图2。

6、可见光波段的MTF测试结束后，将探测器7更换为红外探测器，只需要前后移动红外探测器的位置，使放置红外探测器的第二转台上发生微小角度的偏转；由于红外波段的MTF测试看不到实际的目标星点的像或者狭缝像，MTF测试系统自带的锁相放大器上的信号出现最强能量时，就认为此位置为焦面位置，即可顺利完成对红外波段的MTF测试。

最后，需要说明的是，利用本发明的思路，也可以先测试红外波段的MTF，但是红外波段测试时是看不到目标像的，测试起来比较费时。因此，本发明采用先测可见光波段的MTF，再测红外波段的MTF的测试顺序。

Claims (5)

1.大视场离轴三反光学系统MTF测试装置，包括目标星点、平面反射镜一、MTF测试系统，其特征在于：还包括离轴抛物面镜、五棱镜、自准直经纬仪和平面反射镜二；

所述离轴抛物面镜用于接收所述目标星点发出的光源；

所述五棱镜用于确定所述自准直经纬仪的安装位置和姿态及平面反射镜一的安装位置；

安装所述自准直经纬仪时，所述五棱镜设置在所述离轴抛物面镜的反射光路上，所述自准直经纬仪位于五棱镜的出射光路上，且自准直经纬仪的方位和俯仰能使目标星点的像落在自准直经纬仪的十字中心；

安装所述平面反射镜一时，移开所述五棱镜，所述平面反射镜一设置在所述五棱镜的原位置处，且平面反射镜一的姿态能使目标星点的像落在自准直经纬仪的十字中心；

所述平面反射镜二为辅助设备，用于对被测离轴三反光学系统进行光路自准；在对被测离轴三反光学系统进行光路自准时，平面反射镜二放置在被测离轴三反光学系统的入光口的机械安装面上；

所述MTF测试系统的探测器位于被测离轴三反光学系统的出光口处，且MTF测试系统的探测器的接收面与被测离轴三反光学系统的像面平行；

还包括第一转台和第二转台；第一转台用于调整所述五棱镜和平面反射镜的姿态；第二转台用于调整所述MTF测试系统的探测器的姿态；

所述MTF测试系统的探测器采用可见光波段探测器或红外探测器。

2.根据权利要求1所述的大视场离轴三反光学系统MTF测试装置，其特征在于：还包括与所述第一转台固连的升降台。

3.根据权利要求2所述的大视场离轴三反光学系统MTF测试装置，其特征在于：还包括用于安装所述自准直经纬仪的支架。

4.大视场离轴三反光学系统MTF测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)MTF测试系统的探测器选用可见光波段的探测器；打开MTF测试系统，点亮MTF测试系统的光源，安装好目标星点，将离轴抛物面镜设置在目标星点发出的光源的光路上，将五棱镜设置在离轴抛物面镜的反射光路上，将自准直经纬仪和被测离轴三反光学系统依次设置在五棱镜的出射光路上，且被测离轴三反光学系统的入光口位于五棱镜的出射光路的光轴上；

2)调整自准直经纬仪的方位和俯仰，使目标星点的像落在自准直经纬仪的十字中心，然后将自准直仪的方位和俯仰示数清零；

3)移走五棱镜，将平面反射镜放置在五棱镜的原位置处，保持自准直经纬仪的方位和俯仰不变，调整平面反射镜的姿态，使目标星点像落在自准直经纬仪的十字刻线的中心；

4)观察被测离轴三反光学系统的入光口是否被平面反射镜的反射光束覆盖，如未被覆盖，调整平面反射镜直至被测离轴三反光学系统的入光口被覆盖；

5)将平面反射镜二放置在被测离轴三反光学系统的入光口的机械安装面上，调整被测离轴三反光学系统的方位和俯仰，当目标星点像原路返回时被测离轴三反光学系统的光路自准完成；

6)将MTF测试系统的探测器转台旋转83.5度，找到像面，进行可见光波段的MTF测试。

5.根据权利要求4所述的大视场离轴三反光学系统MTF测试方法，其特征在于，还包括步骤7)红外波段的MTF测试，具体为：

将MTF测试系统的探测器更换为红外波段的探测器，前后移动红外波段的探测器的位置，在放置红外探测器的转台上发生微小角度的偏转，MTF测试系统自带的锁相放大器上的信号最强时，进行红外波段的MTF测试。

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