CN113868865B - 基于单一像面光学系统引入ccd不平度误差模型方法 - Google Patents
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Abstract
基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法，涉及光学系统集成仿真技术领域。为解决现有技术难以满足对CCD拼接误差的计算要求，且建模过程较为复杂，容易引起操作失误等问题，本发明包括对CCD位置不平度测试与面形不平度测试；在单一像面引入拼接式CCD不平度误差，避免了依照CCD拼接数量建立对应光学系统，降低了该误差建模的复杂成度，且有效提升全链路像质计算效率。本发明将拼接式CCD不平度误差加载至链路仿真系统中，可分析该项误差引起的像质退化程度，根据退化结果改良设计指标，提升大口径光学系统在轨成像质量。为建立全链路仿真分析中CCD不平度误差模型提供理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统集成仿真技术领域，具体涉及一种光学系统CCD拼接误差建模方法。
背景技术
天文学一直是先进技术发展的重要推动力，观测太空需要精密的光学设备。光学系统全链路仿真方法基于成像物理机制对大口径光学系统成像质量进行计算，用于分析研究各误差因素对光学像质的影响。光学系统后端CCD通常由几块或数十块硅基探测器拼接而成，因此拼接不平度会引入误差，造成光学系统成像退化。在现有光学分析软件中，通常只能建立一个具有6自由度的整体像面，难以满足对CCD拼接误差的计算要求；已知现有技术是根据各块CCD的坐标依次建立独立的光学系统，建模过程较为复杂，且容易引起操作失误。
本发明提出一种光学系统CCD拼接误差建模方法，建立整体像面与局部CCD像面间的位置关系，通过补偿像面全局与局部移动之间的位置量差异，实现CCD不平度误差在单一像面光学系统的建模。同时，该方法也进一步提升了全链路仿真分析效率。
发明内容
本发明为解决现有技术难以满足对CCD拼接误差的计算要求，且建模过程较为复杂，容易引起操作失误等问题，提供基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法。
基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法，包括对CCD位置不平度测试与面形不平度测试；
通过建立局部像面与整体像面坐标关系，实现对所述CCD位置不平度的建模，获得建模模型；具体过程为：
步骤一、将局部像面上任意点坐标还原到整体像面上，则在整体像面建立CCD拼接误差模型，设定局部像面有6自由度调整量，分别为沿x、y、z三轴方向平移和绕x、y、z三轴方向旋转，旋转方向满足左手定则；
当局部像面沿x、y、z三轴方向平移时，对应到整体像面上沿x、y、z三轴方向，且移动量与局部像面相同；
当局部像面绕x轴和y轴旋转时，整体像面在绕x轴和y轴方向进行相同的旋转外，需要对其他自由度进行变换，补偿二者旋转变换间的差异；
当局部像面绕z轴旋转时，整体像面绕z轴方向进行相同的旋转，其他自由度度保持不变；
步骤二、建立局部像面绕x轴方向旋转与整体像面的关系；
当局部像面绕x轴旋转α度角时，整体像面应绕x轴旋转α度角，同时整体像面在y轴上平移hy·[1-cos(α)]，在z轴上平移-hy·sin(α)，所述hy为局部像面中心到整体像面中心y轴方向上的距离；
步骤三、建立局部像面绕y轴方向旋转与整体像面的关系；
当局部像面绕y轴旋转β度角时，整体像面应绕y轴旋转α度角，同时整体像面在x轴平移hx·[1-cos(β)]，在z轴上平移hx·sin(β)，所述hx为局部像面中心到整体像面中心x轴方向上的距离。
本发明的有益效果：
本发明所述的方法，在单一像面引入拼接式CCD不平度误差，避免了依照CCD拼接数量建立对应光学系统，降低了该误差建模的复杂成度，且有效提升全链路像质计算效率。
本发明所述的方法，将拼接式CCD不平度误差加载至链路仿真系统中，可分析该项误差引起的像质退化程度，根据退化结果改良设计指标，提升大口径光学系统在轨成像质量。为建立全链路仿真分析中CCD不平度误差模型提供理论基础。
附图说明
图1为本发明所述的基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法中拼接式CCD俯视示意图；
图2为本发明所述的基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法中拼接式CCD侧视示意图；
图3为本发明所述的基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法中局部像面处于整体像面y轴上俯视示意图；
图4为本发明所述的基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法中局部像面中心M点绕x轴上旋转示意图；
图5为本发明所述的基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法中局部像面处于整体像面x轴上俯视示意图；
图6为本发明所述的基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法中局部像面中心N点绕y轴上旋转示意图；
图7中，(a)为大口径离轴三反系统边缘角视场在局部像面的光线追迹示意图；
(b)为大口径离轴三反系统边缘角视场所处的局部像面中心绕x轴和y轴分别旋转1°后，对应的PSF俯视图；
图8中,(a)为大口径离轴三反系统边缘角视场在整体像面的光线追迹示意图；
(b)为大口径离轴三反系统边缘角视场所处的整体像面中心绕x轴和y轴分别旋转1°，并对其他量进行补偿后，对应的PSF俯视图。
具体实施方式
结合图1至图8说明本实施方式，基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法，该方法包括对CCD位置不平度与CCD面形不平度的测试。
根据工程研制方案完成CCD拼接。测试CCD整体表面不平整度，主要包含两部分，分别为CCD位置不平度与CCD面形不平度，其中CCD面形不平度可通过4D干涉仪检测得到，本实施方式中对位置不平度进行建模。具体为：
步骤一、建立局部像面与整体像面坐标关系；
已知整体像面由各CCD局部像面拼接而成，将局部像面上任意点坐标还原到整体像面上，即可在整体像面建立CCD拼接误差模型，已知局部像面有6自由度调整量，分别为沿x、y、z三轴方向平移和绕x、y、z三轴方向旋转，旋转方向满足左手定则。当局部像面沿x、y、z三轴方向平移时，对应到整体像面上沿x、y、z三轴方向，且移动量与局部像面相同；当局部像面绕x和y轴旋转时，整体像面除在绕x和y轴方向进行相同的旋转外，需要对其他自由度进行变换，补偿二者旋转变换间的差异；当局部像面绕z轴旋转时，整体像面在绕z轴方向进行相同的旋转，其他量保持不变。
步骤二、建立局部像面绕x轴方向旋转与整体像面的关系；
当局部像面绕x轴旋转α度角时，整体像面应绕x轴旋转α度角，同时在y轴上平移hy·[1-cos(α)]，在z轴上平移-hy·sin(α)。
步骤三、建立局部像面绕y轴方向旋转与整体像面的关系；
当局部像面绕y轴旋转β度角时，整体像面应绕y轴旋转α度角，同时在x轴平移hx·[1-cos(β)]，在z轴上平移hx·sin(β)。
本实施方式中，还包括在光线追迹软件中对建模的模型参数进行验证；
以大口径离轴光学系统为例，在光学系统中分别建立局部像面与整体像面，设定局部像面分别绕x轴和y轴旋转各1度，选取右下角边缘视场计算点扩散函数，根据上述计算方法对整体像面进行调整，并计算右下角视场点扩散函数对比验证建模方法正确性。
本实施方式中，大口径离轴光学系统CCD拼接时会产生位置偏差，以其中一个CCD拼接误差为例，俯视和侧视示意图如图1-2所示。各CCD模块位置偏差可通过6自由度位置参数表示，分别为沿x、y、z三轴方向平移和绕x、y、z三轴方向旋转，旋转方向满足左手定则。现在单一整体像面内建立CCD模块位置偏移误差。可认为各CCD模块为独立的局部像面，当局部像面绕x和y轴旋转时，整体像面除在绕x和y轴方向做出相同的旋转外，需要对其他自由度进行变换，补偿二者旋转变换间的差异。为便于计算CCD模块与整体像面间的关系，选取轴上位置举例说明。
当局部像面处于整体像面y轴且绕x轴旋转时，俯视图如图3所示。局部像面中心原点M与整体像面中心原点O之间距离为hy。当M绕x轴旋转α时，M点在整体像面内沿y轴平移了hy·[1-cos(α)]，沿z轴平移了-hy·sin(α)，如图4所示。同理，当局部像面处于整体像面x轴且绕y轴旋转时，俯视图如图5所示。局部像面中心原点N与整体像面中心原点O之间距离为hx。当N绕y轴旋转α时，N点在整体像面内沿x轴平移了hx·[1-cos(β)]，沿z轴平移了hx·sin(β)，如图6所示。当局部像面绕z轴旋转或沿x、y、z轴平移时，与局部像面对应的整体像面保持变换一致。在同一光学系统分别建立局部像面与整体像面。以大口径离轴三反系统为例，在局部像面的x轴和y轴偏心量分别设置1°。在整体像面的x轴和y轴偏心量同样设置1°，同时，补偿局部像面绕轴旋转引起的x、y、z轴平移量。根据计算结果验证上述建模方法正确性，如图7-8所示。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法，其特征是：包括对CCD位置不平度测试与CCD面形不平度测试；
通过建立局部像面与整体像面坐标关系，实现对所述CCD位置不平度的建模，获得建模模型；具体过程为：
步骤一、将局部像面上任意点坐标还原到整体像面上，则在整体像面建立CCD拼接误差模型，设定局部像面有6自由度调整量，分别为沿x、y、z三轴方向平移和绕x、y、z三轴方向旋转，旋转方向满足左手定则；
当局部像面沿x、y、z三轴方向平移时，对应到整体像面上沿x、y、z三轴方向，且移动量与局部像面相同；
当局部像面绕x轴和y轴旋转时，整体像面在绕x轴和y轴方向进行相同的旋转外，需要对其他自由度进行变换，补偿二者旋转变换间的差异；
当局部像面绕z轴旋转时，整体像面绕z轴方向进行相同的旋转，其他自由度度保持不变；
步骤二、建立局部像面绕x轴方向旋转与整体像面的关系；
当局部像面绕x轴旋转α度角时，整体像面应绕x轴旋转α度角，同时整体像面在y轴上平移hy·[1-cos(α)]，在z轴上平移-hy·sin(α)，所述hy为局部像面中心到整体像面中心y轴方向上的距离；
步骤三、建立局部像面绕y轴方向旋转与整体像面的关系；
当局部像面绕y轴旋转β度角时，整体像面应绕y轴旋转α度角，同时整体像面在x轴平移hx·[1-cos(β)]，在z轴上平移hx·sin(β)，所述hx为局部像面中心到整体像面中心x轴方向上的距离。
2.根据权利要求1所述的基于单一像面光学系统引入CCD不平度误差模型方法，其特征在于：所述CCD面形不平度的测试通过4D干涉仪检测得到。
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