CN110657960A - 一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统 - Google Patents

Abstract

一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统涉及空间光学和光学测试技术领域，解决了现有同步和稳像精度低的问题，包括平面反射镜、模拟星图系统、快速摆动反射镜和分束系统；模拟星图系统产生的星图像并通过快速摆动反射镜运动调制星图像的运动，然后反射到分束系统并分成N束光束，N束光束均依次进入待测光学望远镜的出瞳、经待测光学望远镜成像、经平面反射镜反射、进入待测光学望远镜的入瞳后成像，N束光束均为球面波且星图像运动方向相同，其中一束光束成像至主成像区的成像探测器上、其他光束成像至稳像系统上。本发明了在避免使用传统平行光管的条件下实现稳像精度定量检测，实现多视场运动目标超高同步精度模拟的积极效果。

Description

一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统

技术领域

本发明涉及空间光学和光学测试技术领域，具体涉及一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统。

背景技术

空间天文望远镜是指搭载于卫星平台之上，用于对宇宙中各类天文现象进行成像和测量的一类空间光学载荷。空间天文望远镜与对地观测载荷在成像模式上存在显著不同。对地观测光学载荷搭载于卫星平台，伴随卫星平台围绕地球飞行过程中采用连续推扫成像模式，其成像原理类似于“摄像机”，每一帧的曝光时间一般为毫秒量级。空间天文望远镜为了获得更遥远星系的图像，实现极限探测深度，一般采用凝视成像模式，其工作原理类似于包含快门的“照相机”，其一次曝光的时长达到数百秒至数千秒。在曝光时长内影响成像质量的关键因素在于拍照主体相对于被摄物之间是否存在光轴方向的相对运动。而由于空间天文望远镜一般运动在地球同步轨道上，受地球自转等因素影响，其相对遥远星空目标之间的相对运动不可避免。为此空间天文望远镜一般搭载有专门的稳像系统，可以探测并补偿上述相对运动引起的光轴稳定性误差。而将稳像系统补偿后空间光学望远镜光轴指向的稳定度残差定义为“稳像精度”。具体来说，稳像精度的定义是指空间望远镜进行光轴晃动补偿后，相对于目标沿三个旋转维度的相对转动角度，一般从统计平均的角度以角晃动功率谱密度加以定量描述。

稳像精度指标是决定大口径空间天文望远镜在轨状态下实际成像质量的主要技术参数之一，需要在望远镜发射入轨前在地面进行定量测试与评价。地面进行稳像精度测试的关键在于模拟望远镜与远场目标之间的连续光轴晃动，使望远镜成像探测器和稳像系统的图像传感器均可探测并采集由光轴晃动引起的像点位置变化，在稳像系统工作一定时长后，通过对主成像区探测器采集的图像信息进行综合处理，实现稳像精度的定量评价。上述测试的关键在于：

(1)为待测空间天文望远镜中心视场提供具有空间分布的远场(无穷远)光学目标；

(2)为布置于空间天文望远镜两侧边缘视场的稳像系统传感器提供远场光学目标；

(3)光学目标像的角分辨率与望远镜极限分辨率匹配；

(4)三组模拟的光学目标运动特性(例如幅值、速度、轨迹等)反演的角晃动功率谱密度需要与稳像系统的在轨工况吻合，三组目标需要具备高度的运动特性一致性。

基于上述四项测试要点，常规的思路是制造口径、视场与待测空间天文望远镜一致的平行光管，为了保证测试精度和重复性，还需要光管的各视场的成像质量与像质稳定性高于待测空间天文望远镜。现有方案的主要包含如下三方面问题。

(1)空间天文望远镜的口径一般达到2m-4m，焦距达到30m-60m。需要研制口径与之相当、焦距达到3-5倍的平行光管，其研制难度大、研制成本极高、研制周期较长。

(2)空间天文望远镜未来的发展趋势在于提高系统的有效视场，一方面可以布置更多的科学仪器，另一方面可以实现诸如光谱巡天等更加高效的天文观测。而用于稳像系统测控的图像传感器一般布置于视场边缘，这就要求平行光管的视场不小于待测空间天文望远镜的最大仪器视场。而用于地面测试的平行光管一般仅使用中心视场，研制超大视场的平行光管无论从技术风险还是研制成本考虑都极为困难。

(3)为布置于中心视场附近的成像探测器和两侧边缘视场的稳像系统的图像传感器同时提供运动目标，目前的常规思路是使用三组运动目标模拟源，分别布置于平行光管焦面的不同位置。现有方案的主要问题在于三组运动目标模拟源无论是采用机械方式还是电子学方式均会产生运动不一致，这将对稳像精度测试造成极大影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明根据实际测试需求提供一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，包括平面反射镜、模拟星图系统、快速摆动反射镜和分束系统；所述平面反射镜布置于待测光学望远镜的入瞳，所述模拟星图系统能产生星图像，所述快速摆动反射镜通过运动调制星图像的运动，所述星图像通过快速摆动反射镜反射后入射到分束系统，星图像经过分束系统分成N束光束，N束光束均为球面波，N束光束的星图像运动特性参数均相同，稳像系统的图像传感器的数量为N-1个，N≥3且N为整数；N束光束均依次进入待测光学望远镜的出瞳、经待测光学望远镜成像、经平面反射镜反射、进入待测光学望远镜的入瞳后成像，N束光束中的一束光束成像至望远镜主成像区的成像探测器上、其他光束一一对应的成像至稳像系统的图像传感器上。

本发明的有益效果是：

本发明在避免使用传统平行光管的条件下实现稳像精度定量检测，以及实现了多视场运动目标超高同步精度模拟的积极效果。本发明提出利用光学成像的方法实现运动目标的同源，基于一个快速摆动反射镜实现同源多路运动目标模拟光路，从而避免了传统思路中各种同步误差引起的目标运动不一致性。本发明结合平面反射镜的两维倾角设定，利用准直镜组配合汇聚镜组消除了孔径和传像距离对球面波的限制，实现了同源运动模拟光路在像面附近的自由布置。同时避免产生鬼像实现各稳像系统图像传感器和主成像区成像探测器同时成像的目的。本发明不仅可满足空间天文光学系统的稳像精度测试，同样适用于航空相机、船载光电成像系统、手持式光学探测系统等稳像精度的实验室内高精度测试。

附图说明

图1为本发明的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统的检测示意图。

图2为本发明的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统的同源多路运动目标模拟光路的详细组成关系图。

图中：1、平面反射镜；2、待测光学望远镜；3、同源多路运动目标模拟光路；4、CCD探测器；5.1、CCD传感器一、5.2、CCD传感器二；6、综合控制处理系统；7、分区照明系统；8、星图目标分划板；9、快速摆动反射镜；10、第一分束镜；11、准直镜组：12、场镜组；13、第二分束镜；14、折转镜一；15、汇聚镜组一；16、折转镜二；17、折转镜三；18、折转镜四；19、汇聚镜组二；20、折转镜五；21、折转镜六；22、折转镜七；23、折转镜八；24、折转镜九。

具体实施方式

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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于空间天文望远镜，其物方为平行光束，像方为汇聚光束，将无穷远星系目标聚焦成像在焦平面探测器上。基于待测光学望远镜2的上述成像原理，在其焦平面上布置相对孔径与待测光学望远镜2相同的光源和星点目标后，将由光学望远镜入瞳出射并成像至无穷远。将口径相当的平面反射镜1布置于待测光学望远镜2入瞳，则上述准直光束经平面反射镜1一次反射后再次入射回到待测光学望远镜2入瞳，并聚焦至光学系统焦面探测器。若平面反射镜1光轴与光学望远镜零视场主光线矢量方向平行，则准直像点与目标点位于像面同一位置，即传统的自准直光路。若经过特殊设计和计算后，将平面反射镜1的俯仰和方位角与待测光学望远镜2零视场主光线形成一定的夹角，并相应的在像面设定位置布置目标源，则准直像点不再与目标点相互重合，可以聚焦至像面的其它视场。基于上述原理，若模拟的目标星点在像面内沿x方向或y方向平移，则会使准直聚焦回待测光学望远镜2像面的目标像点产生像面内、某一方向的一维平移，平移的方向和速度由目标源沿x、y向运动的相对分量决定。上述准直目标像点的一维运动特性恰恰与空间光学望远镜光轴指向相对无穷远星系目标存在光轴晃动，即存在光轴晃动补偿残差时产生的光学效果一致。

基于上述原理，在待测光学望远镜2焦面前端布置一套运动像点模拟光路，可以连续改变像点的运动速度和行程，并使其经待测光学望远镜2和平面反射镜1准直后再次聚焦于光学望远镜焦平面成像探测器，就可以在地面模拟待测光学望远镜2光轴与无穷远目标之间的相对晃动，为稳像精度检测提供模拟目标源。

由于待测光学望远镜2的稳像系统依靠图像传感器测量上述星点在光学望远镜像面的相对位移，进而解算光轴晃动量并控制望远镜稳像系统中的快速摆动反射镜9(二维摆动)实现光轴晃动补偿。因此，若要在地面完成光学望远镜稳像精度定量检测，光学望远镜的稳像系统(即稳像补偿装置)必须开机工作。为提高光学望远镜主像面的使用效率，上述稳像系统一般布置于边缘视场，而在中心视场附近尽量布置用于成像的成像探测器(一般称为主成像区)。因此，需要为光学望远镜中心的主成像区和两侧的稳像系统的图像传感器模拟同步运动目标，一方面保证视场边缘的图像传感器可以测量光轴晃动量，保证稳像系统补偿正常工作；另一方面，还要为中间主成像区模拟运动目标，用于对稳像补偿后的残差，即稳像精度进行定量测试和评估。因此，本发明在上述准直光路的基础上设计了由一套运动目标源模拟光轴晃动，再分别成像至待测光学望远镜2不同视场，实现多路视场互准直的“同源运动目标”模拟。需要说明的是稳像系统的图像传感器大于等于2个，本实施方式中仅是两个图像传感器为例进行阐述，并不限定为2个。

本发明的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，主要包括平面反射镜1和同源多路运动目标模拟光路3。稳像精度检测时的测量光路需要同源多路运动目标模拟光路3、待测光学望远镜2、平面反射镜1、望远镜主成像区的成像探测器和稳像系统图像传感器，如图1，为空间天文望远镜俯仰和偏航维度稳像精度测试光路原理图。本发明的光路系统还可包括综合控制处理系统6。

同源多路运动目标模拟光路3包括模拟星图系统、快速摆动反射镜9和分束系统。平面反射镜1布置于待测光学望远镜2的入瞳，模拟星图系统能产生星图像，快速摆动反射镜9通过二维摆动调制星图像的运动，星图像通过快速摆动反射镜9反射后入射到分束系统，星图像经过分束系统分成N束光束，星图像进入分束系统和经过分束系统得到多路运动目标模拟光路，即N路运动目标模拟光路。由于都经过同一个快速摆动反射镜9调制星图像的运动，所以多路运动目标模拟光路称之为同源运动目标模拟光路，N为大于等于3的整数。

分束系统出射的N束光束均为球面波。N束光束的星图像运动特性参数均相同，分束系统消除了N路运动目标模拟光路所模拟目标运动关系间的相对镜像关系，N束光束任意两束光束星图像的相对镜像旋角为0，各个运动目标模拟光路的目标运动特性参数均一致。运动特性参数包括速度(大小、方向)、加速度(大小、方向)和角速度(大小、方向)，即N束光束的星图像运动速度相同、运动加速度相同、运动角速度相同。稳像系统的图像传感器的数量为N-1个，N≥3且N为整数。N束光束均依次进入待测光学望远镜2的出瞳、经待测光学望远镜2成像、经平面反射镜1反射、进入待测光学望远镜2的入瞳后成像，N束光束中的任意一束光束成像至望远镜主成像区的成像探测器上、其他光束(N-1束)一一对应的成像至稳像系统的图像传感器上。本实施方式中N＝3，N束光束分别称之为第一束光、第二束光和第三束光。稳像系统位于两侧边缘视场，稳像系统具有两个图像传感器且分设在两侧边缘视场。第一束光为球面波，第一束光依次进入待测光学望远镜2的出瞳、经待测光学望远镜2成像、经平面反射镜1反射、进入待测光学望远镜2的入瞳后成像至稳像系统的位于一侧边缘视场的图像传感器上。第二束光为球面波，第二束光依次进入待测光学望远镜2的出瞳、经待测光学望远镜2成像、经平面反射镜1反射、进入待测光学望远镜2的入瞳后成像至位于望远镜主成像区的成像探测器上。第三束光为球面波，第三束光依次进入待测光学望远镜2的出瞳、经待测光学望远镜2成像、经平面反射镜1反射、进入待测光学望远镜2的入瞳后成像至稳像系统的位于另一侧边缘视场的图像传感器上。

分束系统包括第一分束镜10、准直镜组11、场镜组12、第二分束镜13、折转镜一14、汇聚镜组一15、第一折反镜组、汇聚镜组二19和第二折反镜组。第一折反镜组包括折转镜二16、折转镜三17和折转镜四18。第二折反镜组包括折转镜六21、折转镜七22、折转镜八23、折转镜九24和具有反射功能的镜片。

本实施方式以N＝3进行详述，具有反射功能的镜片采用折转镜五20。其中同源多路运动目标模拟光路3的组成如图2所示，以下依据光学传播路径介绍其工作原理。分区照明系统7采用多路光纤，光纤的一侧分别与LED光源耦合，另一侧与星图目标分划板8上不同星点目标分别耦合。光纤的相对孔径与待测光学望远镜2的相对孔径相同。通过单独控制LED的亮度，可以在一块星图目标上模拟具有不同星等的星点目标，通过在星图目标分划板8上控制星点间的距离，可以模拟具有给定张角的多星分布星图目标，或给定的特殊天区。照明后的星图像首先经快速摆动反射镜9实现运动调制，依据给定的功率谱密度，通过逆傅里叶变换可以解算出“时间—幅值”运动控制函数，利用综合控制处理系统6注入快速摆动反射镜9控制程序，可以将星图目标分划板8上的星图像转换为光轴绕俯仰和偏航维摆动的运动目标，从而实现运动目标模拟，即通过快速摆动反射镜9使得星图像作为运动目标进入分束系统。

经过运动调制后的光束(即星图像)首先照射进入第一分束镜10，经第一分束镜10分为第一分光束一和第一分光束二，依据一定的比值一部分透射穿过第一分束镜10(该光束作为第一分光束二，称为透射光一)，另一部分反射后(该光束作为第一分光束一，称为反射光一)进入待测光学望远镜2的出瞳，再经待测光学望远镜2成像、经平面反射镜1反射后，再次照射进入待测光学望远镜2入瞳，并被成像至视场一侧的待测光学望远镜2稳像系统的图像传感器上，该图像传感器采用CCD传感器一5.1。

由第一分束镜10透射的光束(在此称为透射光一)照射进入准直镜组11。由于光纤照射星图目标分划板8后形成具有一定相对孔径的光束，其孔径随传输距离发生变化，对光路布置灵活性产生较大影响，因此首先将第一分束镜10的透射光一准直为平行光束。平行光束照射进入场镜组12。由于在同源多路运动目标模拟光路3中布置了大量的折转镜组，导致各视场模拟的运动方向出现“镜像”，利用场镜组12实现另外N-1路(此例中N＝3)模拟光路的目标运动方向与第一束模拟光路中目标运动方向一致，通过场镜组12实现分束系统分成的3束光束的星图像运动方向相同。准直后放入透射光一经场镜组12后由第二分束镜13再次依据一定能量比值分为两束，分为第二分光束一和第二分光束二。第二分光束一为反射光二，第二分光束二为透射光二，将第二分束镜13的反射光二经折转镜一14反射转向90°后照射进入汇聚镜组一15。汇聚镜组一15实现将准直镜组11准直的平行光束再次转换为具有与待测光学望远镜2相对孔径一致的球面波，其虚焦点位于折转镜三17和折转镜四18之间。其中折转镜二16将汇聚光束反射再次换向90°、再经折转镜三17反射换向90°、折转镜四18反射换向。上述折转镜二16、折转镜三17、折转镜四18均主要起到压缩光路尺寸的目的，并将出射光束转导至指定的视场位置。最终发散球面波(折转镜四18反射换向后的球面波)以一定孔径角照射进入待测光学望远镜2的出瞳，再经待测光学望远镜2成像、平面反射镜1反射后，再次照射进入待测光学望远镜2入瞳，并被成像至中心视场附近的待测光学望远镜2主成像区的成像探测器上，成像探测器采用CCD探测器4。

由第二分束镜13依据一定能量比值分为两束后，透射光二首先照射进入汇聚镜组二19。汇聚镜组二19的原理与上述汇聚镜组一15相同。汇聚镜组二19实现将准直镜组11准直的平行光束再次转换为具有与待测光学望远镜2相对孔径一致的球面波，其虚焦点位于折转镜八23和折转镜九24之间。汇聚镜组二19出射的汇聚球面波首先经折转镜五20反射和折转镜六21反射连续换向180°，再由折转镜七22反射换向90°，由折转镜八23反射再换向90°，聚焦后发散球面波经折转镜九24反射换向后以一定孔径角照射进入待测光学望远镜2的出瞳，再经待测光学望远镜2成像、平面反射镜1反射后，再次照射进入待测光学望远镜2入瞳，并被成像至视场另一侧的待测光学望远镜2稳像系统的图像传感器上，该图像传感器采用CCD传感器二5.2。

也就是说反射光一、经第一折反镜组反射的反射光二、经第二折反镜组反射透射光二均为N束光束中的一束光束。N＝3，反射光一、经第一折反镜组反射的反射光二、经第二折反镜组反射透射光二共同构成分光系统所分成的3束光束。若N＞3，具有反射功能的镜片为第三分束镜，汇聚镜组二19出射的汇聚球面波首先经第三分束镜分束成分为第三分光束一和第三分光束二，第三分光束一为反射光三，第三分光束二为透射光三，透射光三和反射光三，反射光三经折转镜六21、折转镜七22、折转镜八23和折转镜九24依次反射后进入待测光学望远镜2的出瞳，透射光三通过其他镜子直接出射或分束后出射进入待测光学望远镜2的出瞳。上述N束光束均与待测光学望远镜2相对孔径相同。

经过上述光路传输过程，位于待测光学望远镜2中心视场的成像探测器和位于两侧视场的稳像系统的图像传感器均同时获得同源运动星图目标像，可以引导光学望远镜上搭载的稳像系统开机工作，并补偿所模拟的光轴晃动。本发明直接利用光学望远镜的焦平面成像探测器和稳像系统图像传感器接收准直回像面的星图像。稳像系统图像传感器以较高的采样频率接收模拟光轴晃动后的运动星图像，实现稳像系统的测控闭环。主成像区的焦平面成像探测器采用积分成像模式，通过对整个曝光时长内主成像区像点的采集和计算，可以综合计算稳像系统工作后的光轴稳定度残差，即稳像精度。

其中同源多路运动目标模拟光路3主要由分区照明系统7、星图目标分划板8、快速摆动反射镜9组成的运动目标模拟源，以及分束镜组、折转镜组、准直镜组11、汇聚镜组、场镜组12。其中运动目标模拟源主要通过快速摆动反射镜9的快速两维摆动，模拟无穷远的星图相对与望远镜光轴之间的高频晃动。其中的星图目标分划板8用于模拟一定张角、幅亮度的恒星或星系目标。分束镜用于在光路中依据一定的能量比将光束传播方向分成相互垂直两部分。准直镜组11用于将照明光束准直为平行光束，从而实现模拟光路中的自由折转并与距离无关传播。汇聚镜组与准直镜组11联合使用，在待测光学望远镜2的测量视场附近将上述平行光束汇聚为相对孔径与待测光学望远镜2相同的球面波，从而实现充满待测光学望远镜2的全部孔径角。折转镜组布置于上述模拟光路之中，实现缩短光路尺寸、折转光线传播方向的作用。同源多路运动目标模拟光路3可包括机械结构组件，机械结构组件根据上述光路结构形式布置，主要起支撑各光学元件的作用。

待测光学望远镜2布置在测量光路中，主要利用其光路系统代替传统的平行光管，实现上述模拟的运动光学目标的准直和成像功能。

考虑的实际测量光路的布置和工程化问题，平面反射镜1的口径需要略大于待测光学望远镜2的口径。平面反射镜1的光轴与待测光学望远镜2的零视场主光线方向存在一定的夹角，从而保证模拟目标不会完全准直回其所在的视场位置或以像面几何中心为对称点的对角视场。上述的夹角一般为0.1度量级，小于1°，具体需根据待测光学望远镜2的光学参数以及模拟光路的布置位置进行计算。上述夹角的引入可达到避免产生鬼像、各稳像系统图像传感器和主成像区成像探测器各稳像传感器同时成像的目的。

综合控制处理系统6信号连接快速摆动反射镜9，综合控制处理系统6用于控制快速摆动反射镜9的运动，也就是控制星图像的运动，控制“同源运动目标”模拟，综合控制处理系统6载有快速摆动反射镜9控制程序，综合控制处理系统6和快速摆动反射镜9将星图目标分划板8上的星图像转换为光轴绕俯仰和偏航维摆动的运动目标。综合控制处理系统6用于采集图像传感器传感的图像，用于采集成像探测器探测的图像，并对采集图像传感器传感的图像和成像探测器探测的图像进行分析计算。综合控制处理系统6连接图像传感器和成像探测器。综合控制处理系统6用于统一快速摆动反射镜9、图像传感器和成像探测器的时间标准，也就是实现上述同源多路运动目标模拟光路3、待测光学望远镜2、图像传感器和成像探测器之间的时间基准统一。

本发明利用与待测光学望远镜2相对孔径一致的照明光束(分区照明系统7)照明星图目标分划板8得到星图目标即星图像，并经两维摆动的快速摆动反射镜9实时改变出射光线的光轴指向。位于待测光学望远镜2像面附近的同源多路运动目标模拟光路3分别为待测光学望远镜2像的主成像区的成像探测器和位于两侧视场的稳像系统的图像传感器同时、同源模拟分别沿子午和弧失方向平移运动的星图目标。经过第一分束镜10后实现一次分束，其中一束直接照射进入待测光学望远镜2光学系统，再成像至无穷远、平面反射镜1将各视场平行光准直、待测光学望远镜2聚焦至位于像面的稳像系统图像传感器。经分束的另一束光线首先准直为平行光，从而实现与光线传输距离之间的解耦，并利用多组折转镜组、反射镜、分束镜等在待测光学望远镜2像面内的不同区域照射进入待测光学望远镜2，与第一分束光的传导原理类似，也最终被准直回待测光学望远镜2焦面边缘的稳像系统图像传感器和中心主成像区的成像探测器。位于焦面边缘的图像传感器探测并计算出光轴晃动后控制指向补偿镜运动，从而在中心主成像区接收到图像传感器补偿后的像点，根据补偿后像点运动量计算待测光学望远镜2的稳像精度，即综合控制处理系统6实时采集成像探测器和图像传感器所获图像，再结合时间信息可解算出在稳像时长内待测光学望远镜2的稳像精度。

现有技术方案采用平行光管为待测光学望远镜2模拟远场光学目标。但由于空间天文望远镜的视场和口径较大，而用于光轴晃动量探测的传感器大多布置于视场边缘。因此需要研制口径与待测光学望远镜2接近且具有较大视场的平行光管才可满足稳像精度检测需求。而平行光管的工作原理即在于仅使用中心小视场附近区域，以保证较高的成像质量。也就是说研制兼具大口径、长焦距、大视场的平行光管进行稳像精度检测从技术和成本上均难以实现。本发明采用多视场间互准直的原理，通过巧妙设定平面反射镜1的两维倾角，实现大视场、大口径空间天文望远镜不同视场运动目标与其像点间的相互准直，实现视场互准直稳像测试光路，保证位于边缘视场的稳像系统图像传感器和位于中心视场的主成像区成像探测器均可同时接受同源运动目标像，为稳像系统地面正常工作所需的光学闭环提供运动目标源，从而在避免使用传统平行光管的条件下实现稳像精度定量检测。

稳像精度检测需要位于待测光学望远镜2视场边缘的稳像系统图像传感器和位于中心视场附近的成像探测器均可获得具有相同运动规律的目标像。由于空间天文望远镜的稳像精度一般达到10^-3角秒量级，因此对目标运动同步性提出了极高要求。传统基于压电陶瓷微位移的机械同步方法和电子学同步方法均难以满足多视场运动目标超高同步精度的需求。本发明提出利用光学成像的方法实现运动目标的同源，基于一个快速摆动反射镜9实现同源多路运动目标模拟光路3，从而避免了传统思路中各种同步误差引起的目标运动不一致性。本发明结合平面反射镜1的两维倾角设定，利用准直镜组11配合汇聚镜组消除了孔径和传像距离对球面波的限制，实现了同源运动模拟光路在像面附近的自由布置。同时避免产生鬼像实现各稳像系统图像传感器和主成像区成像探测器同时成像的目的。并仅利用场镜组12消除了多路模拟光路所模拟目标运动关系间的相对径向关系。

空间天文望远镜是采用凝视成像方式的典型光学系统，其成像质量一方面取决于光学系统的静态像质，另一方面取决于超长曝光时长内光学望远镜光轴指向与观测目标之间的稳定度，即稳像精度。而空间天文望远镜搭载于卫星平台之上，受轨道、热载荷、太空环境噪声、卫星平台微振动等因素作用，光学望远镜长期处于非稳定状态，需要稳像系统工作才可实现长时间曝光成像，从而实现极限探测能力。采用类似观测模式的动基座光学系统均存在上述稳像精度制约最终成像质量的问题。

本发明针对凝视曝光成像模式光学系统的实验室内稳像精度测试需求，提出新的解决方案，本发明基于对角视场互准直原理，通过在待测空间天文望远镜焦平面附近布置特殊的折转、成像等光路形式，将单个动态目标模拟源产生的光轴晃动传递至待测光学望远镜2的不同视场，之后利用平面反射镜1与待测光学望远镜2构成的准直光路将各视场模拟的同源运动光学目标准直成像至望远镜焦平面不同位置的成像探测器和图像传感器，为望远镜稳像控制系统工作提供测控闭环所需的光轴晃动。主要实现了避免使用传统大口径平行光管，以及多视场运动目标超高同步精度模拟的两个主要积极效果。本发明不仅可满足空间天文光学系统的稳像精度测试，适用于超大视场的空间天文望远镜进行光轴稳定度评测，主要应用于空间天文望远镜在地面进行光轴稳定度检测与定量评估，实现传统的平行光管等远场目标模拟方法无法提供的超大视场、同源、远场、运动目标模拟，对于空间天文望远镜的指标测评，乃至空间天文望远镜关键指标的突破具有重要意义。还可同样适用于航空相机、船载光电成像系统、手持式光学探测系统等稳像精度的实验室内高精度测试。

Claims (10)

1.一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，包括平面反射镜(1)、模拟星图系统、快速摆动反射镜(9)和分束系统；所述平面反射镜(1)布置于待测光学望远镜(2)的入瞳，所述模拟星图系统能产生星图像，所述快速摆动反射镜(9)通过运动调制星图像的运动，所述星图像通过快速摆动反射镜(9)反射后入射到分束系统，星图像经过分束系统分成N束光束，N束光束均为球面波，N束光束的星图像运动特性参数均相同，稳像系统的图像传感器的数量为N-1个，N≥3且N为整数；N束光束均依次进入待测光学望远镜(2)的出瞳、经待测光学望远镜(2)成像、经平面反射镜(1)反射、进入待测光学望远镜(2)的入瞳后成像，N束光束中的一束光束成像至望远镜主成像区的成像探测器上、其他光束一一对应的成像至稳像系统的图像传感器上。

2.如权利要求1所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，所述分束系统包括第一分束镜(10)、准直镜组(11)、场镜组(12)、第二分束镜(13)、折转镜一(14)、汇聚镜组一(15)、第一折反镜组、汇聚镜组二(19)和第二折反镜组；星图像通过快速摆动反射镜(9)反射后入射到第一分束镜(10)，入射到第一分束镜(10)的光束经第一分束镜(10)分为第一分光束一和第一分光束二，一分光束二依次经过准直镜组(11)、场镜组(12)和第二分束镜(13)分束，第一分光束二经第二分束镜(13)分束的得到第二分光束一和第二分光束二，第二分光束一依次经折转镜一(14)反射、汇聚镜组一(15)汇聚和第一折反镜组反射，第二分光束二依次经汇聚镜组二(19)汇聚和第二折反镜组反射；通过准直镜组(11)准直光束，通过场镜组(12)实现N束光束的星图像运动方向相同，第二分光束一经汇聚镜组一(15)汇聚后转换为球面波，第二分光束二经汇聚镜组二(19)汇聚后转换为球面波；所述第一分光束一、经第一折反镜组反射的第二分光束一、经第二折反镜组反射第二分光束二均为所述N束光束中的一束光束。

3.如权利要求2所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，所述第一折反镜组包括折转镜二(16)、折转镜三(17)和折转镜四(18)；第二分光束一依次经折转镜一(14)反射、汇聚镜组一(15)汇聚、折转镜二(16)反射、折转镜三(17)反射和折转镜四(18)反射后成为所述N束光束中的一束光束；所述第二分光束一经汇聚镜组一(15)汇聚得到的球面波的虚焦点位于折转镜三(17)和折转镜四(18)之间。

4.如权利要求2所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，所述第二折反镜组包括具有反射功能的镜片、折转镜六(21)、折转镜七(22)、折转镜八(23)和折转镜九(24)；第二分光束二依次经汇聚镜组二(19)汇聚、具有反射功能的镜片反射、折转镜六(21)反射、折转镜七(22)反射、折转镜八(23)反射和折转镜九(24)反射后成为所述N束光束中的一束光束；所述第二分光束二经汇聚镜组二(19)汇聚得到的球面波的虚焦点位于折转镜八(23)和折转镜九(24)之间。

5.如权利要求4所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，若所述N＝3，具有反射功能的镜片为折转镜五(20)；若N＞3，具有反射功能的镜片为第三分束镜。

6.如权利要求1所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，所述N束光束均与待测光学望远镜(2)相对孔径相同。

7.如权利要求1所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，所述模拟星图系统包括分区照明系统(7)和星图目标分划板(8)，分区照明系统(7)为星图目标分划板(8)分区照明。

8.如权利要求7所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，分区照明系统(7)采用多路光纤和LED光源，光纤的一侧与LED光源耦合、另一侧与星图目标分划板(8)耦合。

9.如权利要求1所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，所述平面反射镜(1)的光轴与待测光学望远镜(2)的零视场主光线存在夹角，所述夹角小于1°。

10.如权利要求1所述的一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统，其特征在于，所述光路系统还包括综合控制处理系统(6)，所述综合控制处理系统(6)用于控制快速摆动反射镜(9)的运动，用于采集图像传感器传感的图像，用于采集成像探测器探测的图像，用于分析计算所采集的图像，用于统一快速摆动反射镜(9)、图像传感器和成像探测器的时间标准。

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