CN110531532A - 一种光学系统装调方法及大口径大视场望远镜装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学系统装调方法，包括：在光学系统的光入射一侧设置发光单元阵列，在光学系统的光出射一侧设置成像装置，发光单元阵列包括若干发光单元，各发光单元排布在同一面上，成像装置用于采集发光单元阵列发出的且通过光学系统后的光，形成发光单元阵列的图像；以成像装置获得发光单元阵列的图像；在获得的图像中根据各发光单元对应像点的位置与各发光单元对应理想像点的位置之间的位置关系，获得光学系统的失调量，以根据失调量调节光学系统的位置或者姿态。本光学系统装调方法能够应用于大口径大视场望远镜，具有大动态范围、高环境适应性、非接触式、快速装调的优点。本发明还公开一种大口径大视场望远镜装调方法。

Description

一种光学系统装调方法及大口径大视场望远镜装调方法

技术领域

本发明涉及光学系统装调技术领域，特别是涉及一种光学系统装调方法。本发明还涉及一种大口径大视场望远镜装调方法。

背景技术

大口径大视场望远镜在近二十年来获得了飞速发展，为了获得更高的巡天效率与集光能力，其口径与视场都在不断扩大。

为了进一步发挥大口径大视场望远镜的探测能力，通过主动光学对望远镜中的各个主要部件进行独立、实时的面形校正与姿态控制，不仅可以降低对光学加工、系统装配精度的要求，还可以有效地放宽对大型跟踪架刚度的要求，降低系统运动惯量。对于大口径大视场望远镜，为了获得高质量成像效果，需要在整个视场中均获得较高的成像质量，比如对于小视场望远镜影响较小的轴外像差，会大幅度降低大视场望远镜的像质，因此对大口径大视场望远镜各个部件的面形校正与姿态控制的要求比较高。

现有技术中，使用激光跟踪仪实现在大动态范围以及多视场下，对大口径大视场望远镜进行粗对准。激光跟踪仪作为一种广泛使用的坐标测量仪器，在光学元件轮廓检测、主动光学粗对准以及光学系统准直装调中都发挥着重要的作用。但是，激光跟踪仪需要通过靶标反射激光，靶标由于光学反射镜面之间的精度传递，会严重降低粗对准效果，同时逐点测量效率极低。而采用干涉仪的方法对大口径大视场望远镜进行装调，在成本、动态范围以及环境适应性上又存在诸多限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学系统装调方法，用于对光学系统存在的像差情况进行装调，能够应用于大口径大视场望远镜，具有大动态范围、高环境适应性、非接触式、快速装调的优点。本发明还提供一种大口径大视场望远镜装调方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光学系统装调方法，包括：

在光学系统的光入射一侧设置发光单元阵列，在所述光学系统的光出射一侧设置成像装置，所述发光单元阵列包括若干发光单元，各所述发光单元排布在同一面上，所述成像装置用于采集所述发光单元阵列发出的且通过所述光学系统后的光，并形成所述发光单元阵列的图像；

以所述成像装置获得所述发光单元阵列的图像；

在获得的图像中获取各所述发光单元对应像点的位置，根据各所述发光单元对应像点的位置与各所述发光单元对应理想像点的位置之间的位置关系，获得所述光学系统的失调量，以根据所述失调量调节所述光学系统的位置或者姿态，各所述发光单元对应理想像点是指在所述光学系统不存在像差情况时在所述成像装置上形成的各所述发光单元的像点。

优选的，所述发光单元阵列的各个发光单元排布在同一球面上。

优选的，所述发光单元阵列的各个发光单元以放射状排布。

优选的，所述发光单元阵列设置在基板上，在所述基板上预设位置设置有用于安装发光单元的基座。

优选的，根据各所述发光单元对应像点的位置与各所述发光单元对应理想像点的位置之间的位置关系，获得所述光学系统的失调量包括：

根据各所述发光单元对应像点的位置与各所述发光单元对应理想像点的位置，获得各所述发光单元对应像点的偏离量，表示为ΔP＝[x₁,y₁,…,x_i,y_i,…,x_N,y_N]，其中，x_i表示第i个发光单元在所成图像中的像点与理想像点在x轴方向的偏离量，y_i表示第i个发光单元在所成图像中的像点与理想像点在y轴方向的偏离量，i∈[1，N]，N表示所述发光单元阵列包括N个发光单元；

根据以下公式获得所述光学系统的失调量，表示为：

ΔZ＝F(ΔP)，ΔZ表示Zernike多项式系数变化，F表示光学系统的失调量和像点偏离量ΔP之间的映射关系；

AΔD＝ΔZ，A表示灵敏度矩阵，ΔD表示光学系统的失调量，ΔZ表示Zernike多项式系数变化。

优选的，通过以下过程计算：

(A^TA+εI)ΔD＝A^TΔZ，其中ε表示阻尼因子，I表示单位矩阵；

ΔD＝(A^TA+εI)^-1A^TΔZ；

对A进行奇异值分解：A＝U∑V^T，其中∑＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_l)为A的奇异值；

优选的，所述光学系统为大口径大视场望远镜的主镜，或者所述光学系统为大口径大视场望远镜的各个次镜。

一种大口径大视场望远镜装调方法，包括：

使用以上所述的光学系统装调方法对望远镜的主镜装调；

使用以上所述的光学系统装调方法对望远镜的待安装次镜装调；

将经过装调的所述待安装次镜和所述主镜安装，使用以上所述的光学系统装调方法对该次镜和所述主镜组成的光学系统进行装调。

优选的，使用的成像装置为所述望远镜的探测器或者另外设置的相机。

优选的，使用的发光单元阵列设置在所述望远镜环梁上，所述发光单元阵列能够随所述望远镜进行方位运动或者俯仰运动。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种光学系统装调方法，首先设置发光单元阵列和成像装置，在光学系统的光入射一侧设置发光单元阵列，在光学系统的光出射一侧设置成像装置，发光单元阵列包括若干发光单元，各发光单元排布在同一面上，然后以成像装置获得发光单元阵列的图像，进一步在获得的图像中获取各发光单元对应像点的位置，根据各发光单元对应像点的位置与各发光单元对应理想像点的位置之间的位置关系，获得光学系统的失调量，进而根据得出的失调量调节光学系统的位置或者姿态，从而实现对光学系统进行装调，通过装调能够将光学系统存在的像差情况降低到一定范围内。本发明光学系统装调方法能够应用于大口径大视场望远镜，具有大动态范围、高环境适应性、非接触式、快速装调的优点。

本发明提供的一种大口径大视场望远镜装调方法，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光学系统装调方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种光学系统装调方法中光学系统、发光单元阵列、成像装置的布置示意图；

图3为本发明实施例中的一种发光单元阵列的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种大口径大视场望远镜装调方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种光学系统装调方法的流程图，由图可知，所述方法包括以下步骤：

S10：在光学系统的光入射一侧设置发光单元阵列，在所述光学系统的光出射一侧设置成像装置，所述成像装置用于采集所述发光单元阵列发出的且通过所述光学系统后的光，并形成所述发光单元阵列的图像。

本实施例中，待装调的光学系统可以是反射式光路的光学系统或者透射式光路的光学系统，那么本实施例方法可以应用于反射式光路的光学系统或者透射式光路的光学系统。光学系统光入射一侧是指光学系统工作时外界光入射进入该光学系统的一侧，光学系统光出射一侧是指入射光通过光学系统后传播出而由探测器收集光的一侧。

请参考图2，图2为以反射式光路的光学系统为例示出的光学系统、发光单元阵列、成像装置的布置示意图。根据图可看出，在光学系统20的光入射一侧设置发光单元阵列21，在光学系统20的光出射一侧设置成像装置22，通过成像装置22采集发光单元阵列21发出的且通过光学系统20后的光，形成发光单元阵列21的图像。

发光单元阵列包括若干发光单元，各所述发光单元排布在同一面上，由各个发光单元排列形成发光单元阵列。在具体实施时，各个发光单元可以排布在同一平面上即各个发光单元处于同一平面上；优选的，各个发光单元也可以是排布在同一球面上，将各个发光单元排布处于同一球面上更便于后续的标定计算。另外，各个发光单元的排列形式可以是方形阵列，优选的各个发光单元可以是以放射状排布，对于为旋转对称性的光学系统，发光单元阵列的各个发光单元以放射状排布能够使得在边缘处具有较高的采样频率，有助于装调更准确。请参考图3，图3为本实施例中的一种发光单元阵列的示意图，图3所示发光单元阵列的各个发光单元210以放射状排布，共包括37个圆周排列的发光单元210，由中心向外的各圆周上发光单元的数量依次为1、6、6、12和12。在其它具体实例中，能够根据实际应用需求选择发光单元的数量和具体排列形式，并不限于上述形式，也都在本发明保护范围内。

在具体实施时，可参考图3，可将发光单元阵列设置在基板211上，发光单元阵列的各个发光单元210安装在基板210上预设位置，可选的可采用工程塑料结合三角形背板制作成基板，具有较高的比刚度。示例性的，可以在基板的预设位置设置用于安装发光单元的基座，发光单元可以是LED，LED可以由电池供电，无需外接电源，各个发光单元的on/off状态可以由总开关统一控制。

在实际应用中，若应用于大口径大视场望远镜，可以将发光单元阵列设置在望远镜环梁上，发光单元阵列能够随望远镜进行方位运动或者俯仰运动，更方便于对发光单元阵列的位置控制。另外，所采用的成像装置可以是望远镜系统自身的探测器或者可以另外配置相机。

S11：以所述成像装置获得所述发光单元阵列的图像。

通过以上步骤将发光单元阵列以及成像装置安装完成之后，控制点亮发光单元阵列，使用成像装置对发光单元阵列进行成像。

S12：在获得的图像中获取各所述发光单元对应像点的位置，根据各所述发光单元对应像点的位置与各所述发光单元对应理想像点的位置之间的位置关系，获得所述光学系统的失调量，以根据所述失调量调节所述光学系统的位置或者姿态。

各所述发光单元对应理想像点是指在所述光学系统不存在像差情况时在所述成像装置上形成的各所述发光单元的像点。可以根据光学系统的光学参数以及发光单元阵列的几何参数，基于几何光学理论计算出各发光单元对应理想像点的位置。

根据获得的发光单元阵列的图像，分别计算出各个发光单元对应像点的位置。具体的，根据各发光单元对应像点的位置与各发光单元对应理想像点的位置之间的位置关系，获得光学系统的失调量，具体包括以下步骤：

S120：根据各所述发光单元对应像点的位置与各所述发光单元对应理想像点的位置，获得各所述发光单元对应像点的偏离量，表示为ΔP＝[x₁,y₁,…,x_i,y_i,…,x_N,y_N]，其中，x_i表示第i个发光单元在所成图像中的像点与理想像点在x轴方向的偏离量，y_i表示第i个发光单元在所成图像中的像点与理想像点在y轴方向的偏离量，i∈[1，N]，N表示所述发光单元阵列包括N个发光单元。

S121：根据以下公式获得所述光学系统的失调量，表示为：

ΔZ＝F(ΔP)，ΔZ表示Zernike多项式系数变化，F表示光学系统的失调量和像点偏离量ΔP之间的映射关系；

AΔD＝ΔZ，A表示灵敏度矩阵，ΔD表示光学系统的失调量，ΔZ表示Zernike多项式系数变化。其中：

由于大口径大视场望远镜光学系统复杂，其调整变量较多，调整变量之间容易出现相关性，导致矩阵病态。若系数矩阵A中列向量线性关联度大，法矩阵A^TA条件数增大，法矩阵呈现病态。法矩阵求逆会出现不稳定，考虑到观测噪声的影响，采用最小二乘法得到的估计值将明显偏离真值。特别地，当|A^TA|＝0时，最小二乘法彻底失效。为了解决最小二乘法这一缺点，对结果进行阻尼最小二乘估计。具体计算方法如下：

(A^TA+εI)ΔD＝A^TΔZ，其中ε表示阻尼因子，I表示单位矩阵；

ΔD＝(A^TA+εI)^-1A^TΔZ；

对A进行奇异值分解：A＝U∑V^T，其中∑＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_l)为A的奇异值；

本实施例光学系统装调方法能够实现对光学系统进行装调，通过装调能够将光学系统存在的像差情况降低到一定范围内，使满足要求，本实施例光学系统装调方法具有大动态范围、高环境适应性、非接触式、快速装调的优点。

本实施例光学系统装调方法中，所述的光学系统可以是大口径大视场望远镜的主镜，或者所述的光学系统为大口径大视场望远镜的各个次镜，也就是本方法能够用于装调大口径大视场望远镜的主镜，也可用于装调大口径大视场望远镜的各个次镜。

进一步的，本发明实施例还提供一种大口径大视场望远镜装调方法，请参考图4，图4为本实施例提供的一种大口径大视场望远镜装调方法的流程图，由图可知，所述方法包括以下步骤：

S30：使用如上所述的光学系统装调方法对望远镜的主镜装调。

首先使用如上所述的光学系统装调方法对望远镜的主镜进行装调，使得望远镜主镜的像差情况满足要求。

S31：使用如上所述的光学系统装调方法对望远镜的待安装次镜装调。

使用如上所述的光学系统装调方法对望远镜的待安装次镜进行装调，使得该次镜的像差情况满足要求。

S32：将经过装调的所述待安装次镜和所述主镜安装，使用如上所述的光学系统装调方法对该次镜和所述主镜组成的光学系统进行装调。

将该待安装次镜安装到主镜上，安装完成之后，再次使用如上所述的光学系统装调方法对该次镜和主镜组成的光学系统进行装调，使得次镜和主镜组成的光学系统的像差情况满足要求。根据上述方法过程，依次地将望远镜的各个次镜和主镜安装和装调，从而完成对望远镜的装调。

本实施例方法中，使用的成像装置可以是望远镜的探测器，或者使用的成像装置可以是另外设置的相机。

进一步优选的，使用的发光单元阵列可以设置在望远镜环梁上，所述发光单元阵列能够随所述望远镜进行方位运动或者俯仰运动。

可以看出，本实施例的大口径大视场望远镜装调方法，通过装调能够将望远镜存在的像差情况降低到一定范围内，使满足要求，本实施例方法具有大动态范围、高环境适应性、非接触式、快速装调的优点。

以上对本发明所提供的一种光学系统装调方法及大口径大视场望远镜装调方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学系统装调方法，其特征在于，包括：

在光学系统的光入射一侧设置发光单元阵列，在所述光学系统的光出射一侧设置成像装置，所述发光单元阵列包括若干发光单元，各所述发光单元排布在同一面上，所述成像装置用于采集所述发光单元阵列发出的且通过所述光学系统后的光，并形成所述发光单元阵列的图像；

以所述成像装置获得所述发光单元阵列的图像；

在获得的图像中获取各所述发光单元对应像点的位置，根据各所述发光单元对应像点的位置与各所述发光单元对应理想像点的位置之间的位置关系，获得所述光学系统的失调量，以根据所述失调量调节所述光学系统的位置或者姿态，各所述发光单元对应理想像点是指在所述光学系统不存在像差情况时在所述成像装置上形成的各所述发光单元的像点。

2.根据权利要求1所述的光学系统装调方法，其特征在于，所述发光单元阵列的各个发光单元排布在同一球面上。

3.根据权利要求1所述的光学系统装调方法，其特征在于，所述发光单元阵列的各个发光单元以放射状排布。

4.根据权利要求1所述的光学系统装调方法，其特征在于，所述发光单元阵列设置在基板上，在所述基板上预设位置设置有用于安装发光单元的基座。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光学系统装调方法，其特征在于，根据各所述发光单元对应像点的位置与各所述发光单元对应理想像点的位置之间的位置关系，获得所述光学系统的失调量包括：

根据各所述发光单元对应像点的位置与各所述发光单元对应理想像点的位置，获得各所述发光单元对应像点的偏离量，表示为ΔP＝[x₁,y₁,…,x_i,y_i,…,x_N,y_N]，其中，x_i表示第i个发光单元在所成图像中的像点与理想像点在x轴方向的偏离量，y_i表示第i个发光单元在所成图像中的像点与理想像点在y轴方向的偏离量，i∈[1，N]，N表示所述发光单元阵列包括N个发光单元；

根据以下公式获得所述光学系统的失调量，表示为：

ΔZ＝F(ΔP)，ΔZ表示Zernike多项式系数变化，F表示光学系统的失调量和像点偏离量ΔP之间的映射关系；

AΔD＝ΔZ，A表示灵敏度矩阵，ΔD表示光学系统的失调量，ΔZ表示Zernike多项式系数变化。

6.根据权利要求5所述的光学系统装调方法，其特征在于，通过以下过程计算：

(A^TA+εI)ΔD＝A^TΔZ，其中ε表示阻尼因子，I表示单位矩阵；

ΔD＝(A^TA+εI)^-1A^TΔZ；

对A进行奇异值分解：A＝U∑V^T，其中∑＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_l)为A的奇异值；

7.根据权利要求1所述的光学系统装调方法，其特征在于，所述光学系统为大口径大视场望远镜的主镜，或者所述光学系统为大口径大视场望远镜的各个次镜。

8.一种大口径大视场望远镜装调方法，其特征在于，包括：

使用权利要求1-7任一项所述的光学系统装调方法对望远镜的主镜装调；

使用权利要求1-7任一项所述的光学系统装调方法对望远镜的待安装次镜装调；

将经过装调的所述待安装次镜和所述主镜安装，使用权利要求1-7任一项所述的光学系统装调方法对该次镜和所述主镜组成的光学系统进行装调。

9.根据权利要求8所述的大口径大视场望远镜装调方法，其特征在于，使用的成像装置为所述望远镜的探测器或者另外设置的相机。

10.根据权利要求8所述的大口径大视场望远镜装调方法，其特征在于，使用的发光单元阵列设置在所述望远镜环梁上，所述发光单元阵列能够随所述望远镜进行方位运动或者俯仰运动。