CN107796597A - 一种光学***波前的子孔径反演与实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，采用数值计算方法计算全孔径‑子孔径转换矩阵，将转换矩阵扩展到Zernike第36项，由于转换矩阵覆盖了条纹Zernike分解的全部级数，子孔径‑全孔径对应关系唯一，因此可采用一个子孔径对全孔径进行反演；本发明还借助定位平面镜进行像素级别的标准平面镜阵列空间定位，克服了传统子孔径反演实施中标准平面镜阵列的中心法线与检测光路主光轴共轴调整时特别在偏视场测试时难以建立空间基准的问题；本发明利用子孔径测试条件解决了全孔径***波前的测试，节约了测试成本，缩短了测试周期。

Description

一种光学***波前的子孔径反演与实施方法

技术领域

本发明涉及一种光学***波前检测的方法，特别涉及一种基于子孔径反演的大口径光学***波前检测与实施方法。

背景技术

大口径光学***的检测是高分辨率空间相机研制的关键环节，直接影响到相机性能和可靠性。大口径光学***的一般检测手段需要配套大口径标准平面镜，但大口径平面镜制造的难度和成本随口径指数级提高。目前技术水平下，平面标准镜的加工极限在2m左右，且成本极高，因此已经无法满足大口径空间相机研制的条件保障要求。目前主流的替代技术是子孔径拼接与子孔径反演技术，其中子孔径拼接技术测试工装精密昂贵，测试周期长，结果是不同时间不同外界条件(如气流)影响下的拼接结果，可参考意义降低；子孔径反演技术克服了子孔径拼接技术的时效问题，并且测试工装简单测试周期短。

现有的子孔径反演方法使用数学方法推导了前九项Fringe zernike系数的全域-子域转换矩阵，本发明用数值方法将全孔径-子孔径转换矩阵推广到了全项Fringezernike系数，并且提出基于像素级别的子孔径反演实施方法。另外现有的子孔径反演方法受限于全域-子域转换矩阵只覆盖了前九项Fringe zernike，需要使用2个及2个以上的子孔径进行全域反演，本专利提出的方法最少只需要1个子孔径即可进行全孔径反演。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，用数值方法建立了光学***波前全孔径-子孔径的转换矩阵，该转换矩阵可包括Fringe Zernike的全部转换关系，并可用最少一个子孔径测得的波前来反演全孔径的波前，可精准标示子孔径与全孔径的空间位置关系，从而准确的反演全孔径波前。

本发明所采用的技术方案是：一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，包括如下步骤：

步骤一、确定标准平面镜阵列布局，将各标准平面镜、定位镜安装在阵列背板的相应孔位上；

步骤二、利用三坐标检测仪对安装在阵列背板上的各标准平面镜、定位镜进行圆心坐标测量，并根据测量结果对各标准平面镜、定位镜进行位置精调，直到各标准平面镜、定位镜圆心进入标准平面镜阵列中的设定位置；

步骤三、对各标准平面镜、定位镜进行相位粗调，保证各标准平面镜、定位镜相位误差在干涉仪可信量程内；

步骤四、搭建检测光路：将干涉仪置于待测大口径望远镜光学镜头焦面处，调整光路，使得干涉仪、待测大口径望远镜光学镜头与标准平面镜阵列形成自准直光路；

步骤五、对待测大口径望远镜光学镜头与标准平面镜阵列进行对准调整；

步骤六、通过干涉仪测量获得待测大口径望远镜光学镜头的离散波前，波前的离散方式与标准平面镜阵列布局方式相同；

步骤七、利用数值计算法，获得各标准平面镜与待测大口径望远镜光学镜头的Zernike转换矩阵T；

步骤八、利用步骤六中各标准平面镜的测试结果与转换矩阵T反演出待测大口径望远镜光学镜头的全孔径波前。

所述标准平面镜阵列包括阵列背板、外包络参考圆、标准平面镜与定位镜，标准平面镜、定位镜为平面反射镜，标准平面镜的口径大于定位镜的口径；外包络参考圆为布置标准平面镜和定位镜的坐标参考，直径与待测大口径望远镜光学镜头的口径相同，绘制在阵列背板上；各标准平面镜布置于外包络参考圆内部且安装在阵列背板上，各标准平面镜背部安装有二维倾斜调整机构和二维平移调整机构分别对标准平面镜的倾斜和平移进行调整；各定位镜均匀布置于外包络参考圆边缘处且安装在阵列背板上，各定位镜包络被外包络参考圆圆边穿过或内切于外包络参考圆，各定位镜背部装有二维倾斜调整机构、二维平移调整机构分别对定位镜的倾斜和平移进行调整。

所述步骤八的具体过程如下：利用公式Z＝Zsub\T计算待测大口径望远镜光学镜头的全孔径Zernike系数Z，其中，Zsub为待测大口径望远镜光学镜头波前对应的各标准平面镜的波前Zernike分解。

所述步骤五中待测大口径望远镜光学镜头与标准平面镜阵列的对准调整满足：当待测大口径望远镜光学镜头与标准平面镜阵列对准时，干涉仪探测器得到的干涉条纹显示范围应包括全部的标准平面镜和全部的定位镜，各标准平面镜对应的干涉图是完整的，各定位镜位于外包络参考圆内部的部分是有干涉图的，各定位镜位于外包络参考圆外部部分是没有干涉图的。

所述定位镜的个数≥3个。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的加工成本及时间周期优势：大口径望远镜光学镜头常规测试所需的大口径标准平面镜加工成本一般在千万元人民币级别，并随着口径的增大，加工成本成指数级增长，加工周期也以数年计，而大口径望远镜的需求已经十分迫切，本发明只需要加工中小口径的标准平面镜，成本是同等测试任务采用全口径标准平面镜的十分之一乃至更小，加工周期只以月计；而测试结果则足以满足评估大口径望远镜光学镜头的像质，并可为装调提供评估依据；

(2)本发明利用单一小口径标准平面镜可替代全口径标准平面镜：对于一些加工水平较高的大口径望远镜光学镜头，全项Fringe Zernike已经能全部或接近全部的描述镜头的波前像差，即Fringe Zernike对镜头的波前分解的残余项较小，此时单一子口径的波前Zernike分解受到残余项影响可忽略不计，由于Fringe Zernike的圆域正交性，子口径反演全口径具有唯一解，即单一小口径的标准平面镜就可替代全口径的标准平面镜，给镜头的波前误差做出准确的评估；

(3)本发明基于像素级别的标准平面镜阵列的定位法：本发明的计算方法需要标准平面镜阵列的中心法线与检测光路主光轴对准，该对准体现为标准平面镜阵列的外包络参考圆与待测光学镜头的视场入射光瞳外包络对准，在实际测试时，难以在检测环境中标示测试视场主光轴，因此难以采用便携关节臂三坐标测量机或激光跟踪仪量化对准失调量。本发明采用定位镜将标准平面镜阵列的中心法线相对检测光路主光轴的对准失调转化为干涉仪探测器上的干涉条纹显示范围并可实时观察调整效果，使得对准误差满足子孔径反演计算需求。

附图说明

图1为标准平面镜阵列示意图；

图2为测试光路示意图；

图3为标准平面镜阵列的中心法线与检测光路主光轴对准的干涉仪探测器上干涉条纹显示范围的示意图；

图4为标准平面镜阵列的中心法线与检测光路主光轴未对准的干涉仪探测器上干涉条纹显示范围的示意图；

图5为全孔径-子孔径转换矩阵的数值计算方法框图。

具体实施方案

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明：

一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，包括如下步骤：

(1)标准平面镜阵列5布局设计，将各标准平面镜3、定位镜4安装在阵列背板1的相应孔位上；标准平面镜阵列5包括阵列背板1、外包络参考圆2、标准平面镜3与定位镜4，标准平面镜3与定位镜4都为平面反射镜，但标准平面镜3的口径较定位镜4大，面形要求较定位镜4高，由于标准平面镜3的口径小于外包络参考圆2的口径，因此其相对于全孔径平面镜亦被称为子孔径标准平面镜；外包络参考圆2为布置标准平面镜3和定位镜4的坐标参考，其直径与待测大口径望远镜光学镜头7的口径相同，一般绘制在阵列背板1上，标准平面镜3布置于外包络参考圆2内部且安装在阵列背板1上，标准平面镜3背部有精密的二维倾斜调整机构和二维平移调整机构可对标准平面镜的倾斜和平移进行精密调整，标准平面镜3的布局以尽可能全面覆盖外包络参考圆2为原则，可采用正三角形布局或其他分散布局，定位镜4布置于外包络参考圆2圆边且安装在阵列背板1上，定位镜4的布局采用均布布局，定位镜4包络被外包络参考圆2边穿过或内切于外包络参考圆2，定位镜4也装有精密的二维倾斜调整机构与二维平移调整机构，定位镜4个数不局限于3个，但应大于等于三个；

(2)标准平面镜阵列布局设计完成后，以对阵列背板1上的各镜安装孔位的机械加工为粗定位，在各镜安装到阵列背板1上后，应用三坐标检测仪对标准平面镜阵列5中的各镜进行圆心坐标测量，并根据测量结果通过各镜的二维平移调整机构进行位置精调，直到各镜圆心进入设计位置；

(3)对各镜进行相位粗调，即保证各镜相位误差在干涉仪6可信量程内即可。标准平面镜阵列5中相邻的平面镜可由平面波干涉仪6进行相位检测，根据干涉仪6探测器所显示的相邻两镜的干涉条纹分布方式即可知两镜的相位差，通过各镜的二维倾斜调整机构调整各镜的相位直到干涉仪探测器显示的条纹分布都稀疏且清晰即完成该步骤。

(4)搭建检测光路，将球面波干涉仪6置于待测大口径望远镜光学镜头7焦面处，调整光路，使得干涉仪6、待测大口径望远镜光学镜头7与标准平面镜阵列5形成自准直光路，该步骤完成后，干涉仪6出光光轴、待测大口径望远镜光学镜头7检测视场入瞳法线即检测光路主光轴8共轴，标准平面镜阵列5的中心法线与检测光路主光轴8仅平行并未共轴；

(5)对待测大口径望远镜光学镜头7与标准平面镜阵列5进行对准调整，即标准平面镜阵列的中心法线与检测光路主光轴8的共轴调整，仅当完成共轴调整时，标准平面镜阵列5中各镜的圆心坐标才与镜头干涉仪6测量结果的数据严格对应，方能保证子孔径反演法的计算精度；该调整需要借助定位镜4，当待测大口径望远镜光学镜头7与标准平面镜阵列5对准时，干涉仪6探测器得到的干涉条纹显示范围应包括全部的标准平面镜3与全部的定位镜5，标准平面镜3对应的干涉图是完整的，定位镜4的干涉图显示部分应与标准平面镜阵列5设计符合，即定位镜4位于外包络参考圆内部的部分是有干涉图的，而位于外包络参考圆2外部部分是没有干涉图的，当定位镜4干涉图显示范围与设计不一致时，即说明标准平面镜阵列5的中心法线与检测光路主光轴8并未对准，此时需调整标准平面镜阵列5的整体二维平移直到干涉图符合设计预期；

(6)通过干涉仪6测量获得待测大口径望远镜光学镜头7的离散波前，波前的离散方式与标准平面镜阵列5布局方式相同；

(7)利用数值计算法，获得各子孔径与全孔径的36阶Zernike转换矩阵T；

(8)利用子孔径测试结果与转换矩阵T反演出全孔径波前：利用公式Z＝Zsub\T计算出待测大口径望远镜光学镜头7的全孔径Zernike系数，其中，Zsub为待测大口径望远镜光学镜头7波前对应的各标准平面镜3的波前Zernike分解，Z为待测大口径望远镜光学镜头7的全孔径波前Zernike系数。

实施例1：

一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，包括如下步骤：

(1)标准平面镜阵列5布局设计：如图1所示，标准平面镜阵列5包括阵列背板1、外包络参考圆2、三个标准平面镜3和三个定位镜4，三个标准平面镜3与三个定位镜4都为平面反射镜，但标准平面镜3的口径较定位镜4大，面形要求较定位镜高。外包络参考圆2为布置标准平面镜和定位镜的坐标参考，其直径与待测大口径望远镜光学镜头的口径相同，一般绘制在阵列背板上，中心点坐标为(X0，Y0)；三个标准平面镜3布置于外包络参考圆内部且安装在阵列背板上，圆心坐标为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)，半径为R1、R2、R3，标准平面镜3背部有精密的二维倾斜调整机构和二维平移调整机构可对标准平面镜的倾斜和平移进行精密调整，标准平面镜3的布局以尽可能全面覆盖外包络圆为原则，可采用正三角形布局；三个定位镜4布置于外包络圆边且安装在阵列背板上，定位镜4的布局采用均布布局，定位镜4包络被外包络参考圆边穿过或内切于外包络参考圆，定位镜4也装有精密的二维倾斜调整机构与二维平移调整机构；

待测大口径望远镜光学镜头7口径为2m，标准平面镜阵列采用三块0.6米口径标准平面镜替代2m口径标准平面镜，三块标准平面镜圆心坐标为(600mm,0mm)，(-300mm,519.62mm)，(-300mm,-519.62mm)。

(2)标准平面镜阵列5布局定位：标准平面镜阵列布局5设计完成后，以对阵列背板1上的各镜安装孔位的机械加工为粗定位，在各镜安装到阵列背板2上后，应用三坐标检测仪对标准平面镜阵列5中的各镜进行圆心坐标测量，并根据测量结果通过各镜的二维平移调整机构进行位置精调，直到各镜圆心进入设计位置；

(3)标准平面镜阵列5的共相位粗调，本实施例所采用的方法无须保证阵列中各镜共相位，只需对各镜进行相位粗调，即保证各镜相位误差在干涉仪可信量程内即可。阵列中相邻的平面镜可由平面波干涉仪进行相位检测，根据干涉仪探测器所显示的相邻两镜的干涉条纹分布方式即可知两镜的相位差，通过各镜的二维倾斜调整机构调整各镜的相位直到干涉仪探测器显示的条纹分布都稀疏且清晰即可；

(4)搭建检测光路，如图2，将球面波干涉仪6置于待测大口径望远镜光学镜头7焦面处，调整光路，使得干涉仪6、待测大口径望远镜光学镜头7与标准平面镜阵列5形成自准直光路；

(5)测大口径望远镜光学镜头7与标准平面镜阵列5对准调整，即标准平面镜阵列5的中心法线与检测光路主光轴8的共轴调整；如图3，定位镜4的干涉图显示部分应与标准平面镜阵列5设计符合，即定位镜4位于外包络参考圆2内部的部分是有干涉图的，而位于外包络参考圆2外部部分是没有干涉图的；当定位镜干涉图显示范围与设计不一致时，图4中，标准平面镜阵列5设计中位于阵列上方的定位镜4未出现干涉条纹，即说明标准平面镜阵列的中心法线低于检测光路主光轴，此时需调整标准平面镜阵列的整体二维平移直到干涉图显示范围符合设计预期；

(6)通过干涉仪6测量获得待测大口径望远镜光学镜头7的离散波前，波前的离散方式与标准平面镜阵列5布局方式相同；

(7)利用图5所示数值计算法，获得各子孔径与全孔径的36阶Zernike转换矩阵T，具体步骤如下：将Zernike系数36项中的第一项置1，其余项置零，按此Zernike系数生成圆域的波前矩阵，该矩阵代表全孔径波前，然后在该矩阵中按照全孔径与子孔径的圆心坐标与半径关系截取出子孔径的波前矩阵，分别对每个子孔径的波前矩阵进行36项Zernike分解，求解出每个子孔径的Zernike系数表达式，并将该结果列到转换矩阵T的第一列；依照上述步骤，再将Zernike系数36项中的第二项置1，其余项置零，求解转换矩阵T的第二列，计算36次以后求解完毕转换矩阵全部36列，到此完成转换矩阵T的计算。

由于篇幅所限，本实施例只计算到16项Fringe Zernike，且转换矩阵只保留两位小数；

待测大口径望远镜光学镜头7对应三块标准平面镜3测试的波前Zernike分解即Zsub如下：

计算所得转换矩阵T如下：

(8)利用公式Z＝Zsub\T算出全孔径Zernike，其中Zsub为光学***波前的子孔径Zernike分解，T为转换矩阵，Z为全孔径波前Zernike系数；

反解出全孔径Zernike分解如下：

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、确定标准平面镜阵列(5)布局，将各标准平面镜(3)、定位镜(4)安装在阵列背板(1)的相应孔位上；

步骤二、利用三坐标检测仪对安装在阵列背板(1)上的各标准平面镜(3)、定位镜(4)进行圆心坐标测量，并根据测量结果对各标准平面镜(3)、定位镜(4)进行位置精调，直到各标准平面镜(3)、定位镜(4)圆心进入标准平面镜阵列(5)中的设定位置；

步骤三、对各标准平面镜(3)、定位镜(4)进行相位粗调，保证各标准平面镜(3)、定位镜(4)相位误差在干涉仪(6)可信量程内；

步骤四、搭建检测光路：将干涉仪(6)置于待测大口径望远镜光学镜头焦面处，调整光路，使得干涉仪(6)、待测大口径望远镜光学镜头(7)与标准平面镜阵列(5)形成自准直光路；

步骤五、对待测大口径望远镜光学镜头与标准平面镜阵列进行对准调整；

步骤六、通过干涉仪(6)测量获得待测大口径望远镜光学镜头的离散波前，波前的离散方式与标准平面镜阵列(5)布局方式相同；

步骤七、利用数值计算法，获得各标准平面镜(3)与待测大口径望远镜光学镜头(7)的Zernike转换矩阵T；

步骤八、利用步骤六中各标准平面镜(3)的测试结果与转换矩阵T反演出待测大口径望远镜光学镜头(7)的全孔径波前。

2.根据权利要求1所述的一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，其特征在于：所述标准平面镜阵列(5)包括阵列背板(1)、外包络参考圆(2)、标准平面镜(3)与定位镜(4)，标准平面镜(3)、定位镜(4)为平面反射镜，标准平面镜(3)的口径大于定位镜(4)的口径；外包络参考圆(2)为布置标准平面镜(3)和定位镜(4)的坐标参考，直径与待测大口径望远镜光学镜头(7)的口径相同，绘制在阵列背板(1)上；各标准平面镜(3)布置于外包络参考圆(2)内部且安装在阵列背板(1)上，各标准平面镜(3)背部安装有二维倾斜调整机构和二维平移调整机构分别对标准平面镜(3)的倾斜和平移进行调整；各定位镜(4)均匀布置于外包络参考圆(2)边缘处且安装在阵列背板(1)上，各定位镜(4)包络被外包络参考圆(2)圆边穿过或内切于外包络参考圆(2)，各定位镜(4)背部装有二维倾斜调整机构、二维平移调整机构分别对定位镜(4)的倾斜和平移进行调整。

3.根据权利要求1或2所述的一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，其特征在于：所述步骤八的具体过程如下：利用公式Z＝Zsub\T计算待测大口径望远镜光学镜头(7)的全孔径Zernike系数Z，其中，Zsub为待测大口径望远镜光学镜头(7)波前对应的各标准平面镜(3)的波前Zernike分解。

4.根据权利要求3所述的一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，其特征在于：所述步骤五中待测大口径望远镜光学镜头(7)与标准平面镜阵列(5)的对准调整满足：当待测大口径望远镜光学镜头(7)与标准平面镜阵列(5)对准时，干涉仪(6)探测器得到的干涉条纹显示范围应包括全部的标准平面镜(3)和全部的定位镜(4)，各标准平面镜(3)对应的干涉图是完整的，各定位镜(4)位于外包络参考圆(2)内部的部分是有干涉图的，各定位镜(4)位于外包络参考圆(2)外部部分是没有干涉图的。

5.根据权利要求2所述的一种光学***波前的子孔径反演与实施方法，其特征在于：所述定位镜(4)的个数≥3个。