本發(fā)明屬于光電望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變與場(chǎng)曲的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡能夠提高天文觀測(cè)效率，但隨著視場(chǎng)的增大，光學(xué)系統(tǒng)的畸變和場(chǎng)曲將會(huì)隨之增大，畸變雖然不影響圖像的清晰度，但其對(duì)圖像的幾何位置精度將會(huì)有直接影響，造成失真；場(chǎng)曲引起像面的清晰度不一致，降低成像質(zhì)量。對(duì)于承擔(dān)天體測(cè)量任務(wù)的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，必需采用有效措施抑制畸變和場(chǎng)曲的影響，才能保證望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量準(zhǔn)確性，因此，畸變和場(chǎng)曲測(cè)量就顯得非常重要。

目前國(guó)內(nèi)外用來(lái)測(cè)評(píng)光學(xué)系統(tǒng)成像畸變的大致可分為兩種，一是精密測(cè)長(zhǎng)法，二是精密測(cè)角法。精密測(cè)長(zhǎng)法是指將標(biāo)定過(guò)的網(wǎng)格板放置在被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的物方位置，使被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸垂直網(wǎng)格板并通過(guò)其中心，記錄網(wǎng)格在像平面的圖案，用精密的測(cè)量?jī)x器測(cè)量出各不同視場(chǎng)位置上的目標(biāo)像到中心的距離。例如在專利US5812260、US5471297、JP1123726等中描述的裝置。精密測(cè)角法是在平行光管的焦面裝上分劃板或星點(diǎn)，然后平行光管或被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)繞入瞳中心的垂直軸做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后在像面直接測(cè)量分劃中心或星點(diǎn)像的中心坐標(biāo)，再通過(guò)計(jì)算像高來(lái)計(jì)算畸變，例如專利CN202522395等中描述的裝置。

上述畸變測(cè)量方法主要存在以下不足，網(wǎng)格板的加工和裝調(diào)精度直接影響到最終的結(jié)果，對(duì)于大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡來(lái)講，制作相匹配的大口徑、高精度的網(wǎng)格板比較困難，受人為因素影響較大；精密測(cè)角法中，一般采用彌散光斑來(lái)識(shí)別像點(diǎn)中心坐標(biāo)，易受靶面位置誤差影響。畸變作為現(xiàn)代光電測(cè)試中的一項(xiàng)重要參數(shù)，隨著測(cè)量精度要求的提高，傳統(tǒng)的方法已不能滿足實(shí)際需要。

傳統(tǒng)的場(chǎng)曲測(cè)量方法主要是截面法，又稱哈特曼法，它將哈特曼光闌置于平行光管前，平行光管主光線通過(guò)被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的入瞳中心，調(diào)整焦前和焦后兩個(gè)截面，計(jì)算出相應(yīng)的子午焦點(diǎn)與弧矢焦點(diǎn)的坐標(biāo)，然后測(cè)量不同視場(chǎng)下子午焦點(diǎn)和弧矢焦點(diǎn)的坐標(biāo)，擬合計(jì)算所有視場(chǎng)下的坐標(biāo)信息，計(jì)算得到場(chǎng)曲。該場(chǎng)曲測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單、形象，但是操作步驟繁瑣，受光闌加工、光斑計(jì)算等人為因素影響大。

另外，國(guó)內(nèi)專利CN102540751、CN103278179、CN102994875、CN104216261等對(duì)投影物鏡、平行光管、空間相機(jī)等光學(xué)系統(tǒng)的畸變和場(chǎng)曲測(cè)量提出了一些方法，但是對(duì)于大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡來(lái)講，測(cè)量方法比較繁瑣復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)。

針對(duì)上述現(xiàn)有方法中的不足，本發(fā)明提出了一種大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的畸變和場(chǎng)曲測(cè)量方法，該方法利用波前傳感器探測(cè)不同視場(chǎng)狀態(tài)下，被測(cè)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的波前信息，通過(guò)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)調(diào)整波前傳感器的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)像點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，然后測(cè)量所有視場(chǎng)的像點(diǎn)位置，通過(guò)數(shù)學(xué)擬合計(jì)算，對(duì)比像點(diǎn)的理想位置，得到被測(cè)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的畸變和場(chǎng)曲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決目前畸變和場(chǎng)曲的傳統(tǒng)測(cè)量方法中存在人為因素影響大，操作繁瑣，精度較低的缺點(diǎn)，以及其他光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量方法不能滿足大口徑、大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用要求等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變和場(chǎng)曲測(cè)量方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：

一種大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變與場(chǎng)曲的測(cè)量方法，平行光源直接入射被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，計(jì)算機(jī)、波前傳感器及其運(yùn)動(dòng)臺(tái)組成定位閉環(huán)結(jié)構(gòu)，用于探測(cè)被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的像點(diǎn)位置，主要檢測(cè)步驟如下：

第一步：測(cè)量視場(chǎng)標(biāo)記，根據(jù)視場(chǎng)范圍和測(cè)量精度要求選擇測(cè)量視場(chǎng)，并標(biāo)記序號(hào)；

第二步：測(cè)量視場(chǎng)改變，利用調(diào)整臺(tái)改變平行光源的傾斜和俯仰姿態(tài)，達(dá)到被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡所需的入射視場(chǎng)角；

第三步：像點(diǎn)定位，利用定位閉環(huán)結(jié)構(gòu)使波前傳感器運(yùn)動(dòng)至被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的像點(diǎn)位置，并記錄像點(diǎn)位置坐標(biāo)；

第四步：全視場(chǎng)像點(diǎn)測(cè)量，根據(jù)第一步確定的測(cè)量視場(chǎng)，按序號(hào)重復(fù)第二步和第三步，直至全部完成，并記錄所有像點(diǎn)位置；

第五步：畸變和場(chǎng)曲擬合，根據(jù)數(shù)學(xué)方法將記錄的所有像點(diǎn)位置進(jìn)行曲面擬合，對(duì)比理想像點(diǎn)位置，得到畸變和場(chǎng)曲結(jié)果。

更進(jìn)一步的，所述的測(cè)量視場(chǎng)需在檢測(cè)之前，根據(jù)被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)范圍和檢測(cè)要求確定，可以按方形或圓形分布形式選擇。

更進(jìn)一步的，所述的平行光源調(diào)整臺(tái)的俯仰和傾斜是指垂直于平行光源光軸平面內(nèi)兩個(gè)正交旋轉(zhuǎn)自由度，運(yùn)動(dòng)中心為被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的入瞳中心。

更進(jìn)一步的，所述的閉環(huán)定位結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)、波前探測(cè)器及其運(yùn)動(dòng)臺(tái)組成，波前探測(cè)器實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡出射波前信息，計(jì)算機(jī)處理波前信息，并提取傾斜、俯仰和離焦項(xiàng)數(shù)據(jù)和波前傳感器光斑分布信息，運(yùn)動(dòng)臺(tái)用于調(diào)整波前傳感器的空間位置和姿態(tài)。

更進(jìn)一步的，所述的波前傳感器運(yùn)動(dòng)臺(tái)具備六個(gè)空間自由度，具備自由度數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、輸入和輸出功能；

更進(jìn)一步的，所述的閉環(huán)定位結(jié)構(gòu)的判據(jù)函數(shù)如下，

其中，C_j表示波前傳感器中第j個(gè)子孔徑單元的光強(qiáng)判據(jù)函數(shù)數(shù)值，N表示波前傳感器的子孔徑單元數(shù)量，Zn_tilt、Zn_tip、Zn_defocus分別表示被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)波前信息中的傾斜、俯仰、離焦項(xiàng)數(shù)據(jù)，e_tilt、e_tip、e_defocus分別表示像點(diǎn)位置的傾斜、俯仰、離焦項(xiàng)容許誤差；

更進(jìn)一步的，所述的像點(diǎn)位置坐標(biāo)(D_x，D_y，D_z)表達(dá)式如下，

其中，x_h、y_h、z_h、u_h、v_h分別表示波前傳感器運(yùn)動(dòng)臺(tái)三個(gè)平移自由度，和兩個(gè)垂直于光軸的旋轉(zhuǎn)自由度，L表示像點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)基點(diǎn)間的距離。

更進(jìn)一步的，所述的數(shù)學(xué)方法可以采用最小二乘法，也可以采用其他方法。

更進(jìn)一步的，所述的波前傳感器子孔徑單元的光強(qiáng)判據(jù)函數(shù)如下，

其中，Ｉ、Ｉ_n分別表示子孔徑內(nèi)的探測(cè)光強(qiáng)和光強(qiáng)臨界閾值。

本發(fā)明具有以下的有益效果：

本發(fā)明的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變和場(chǎng)曲的測(cè)量方法，利用波前傳感器探測(cè)不同視場(chǎng)狀態(tài)下，被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)像點(diǎn)的傾斜和離焦，并通過(guò)閉環(huán)控制進(jìn)行校正，更準(zhǔn)確的找到其空間位置，擬合出全視場(chǎng)范圍的畸變和場(chǎng)曲，克服了傳統(tǒng)方法的人為因素影響大，操作繁瑣、精度較低等缺點(diǎn)，提高了測(cè)量精度，簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置，減輕了人為因素影響，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量，為大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變和場(chǎng)曲的測(cè)量提供了一種行之有效的方法，同時(shí)為校正畸變和場(chǎng)曲提供了可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變與場(chǎng)曲檢測(cè)示意圖。

圖2為全視場(chǎng)畸變與場(chǎng)曲檢測(cè)流程圖。

圖3為像點(diǎn)定位過(guò)程中波前傳感器與像點(diǎn)之間位置關(guān)系示意圖，其中，圖3(a)為二者位置的運(yùn)動(dòng)模型，圖3(b)為二者位置的數(shù)學(xué)模型。

圖4為像點(diǎn)定位過(guò)程中波前傳感器光斑分布示意圖，其中，圖4(a)為波前傳感器調(diào)整前的光斑分布，圖4(b)為波前傳感器調(diào)整后的光斑分布。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為平行光源，2為調(diào)整臺(tái)，3為計(jì)算機(jī)，4為波前探測(cè)器，5為運(yùn)動(dòng)臺(tái)，6為被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明涉及的檢測(cè)裝置見(jiàn)圖1，主要包括平行光源1及其調(diào)整臺(tái)2、波前探測(cè)器4及其運(yùn)動(dòng)臺(tái)5、計(jì)算機(jī)3，計(jì)算機(jī)3、波前探測(cè)器4和運(yùn)動(dòng)臺(tái)5組成閉環(huán)定位結(jié)構(gòu)，用于探測(cè)被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡6的像點(diǎn)位置。

大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變與場(chǎng)曲測(cè)量流程見(jiàn)圖2，主要檢測(cè)步驟為：

第一步：測(cè)量視場(chǎng)標(biāo)記，根據(jù)視場(chǎng)范圍和測(cè)量精度要求選擇測(cè)量視場(chǎng)，并標(biāo)記序號(hào)FOV_i；

第二步：測(cè)量視場(chǎng)改變，根據(jù)選擇的測(cè)量視場(chǎng)FOV_i，通過(guò)調(diào)整臺(tái)2將平行光源1的傾斜和俯仰姿態(tài)進(jìn)行改變，使其滿足相應(yīng)的視場(chǎng)角，如圖1所示，平行光源的出射光從實(shí)光線改變?yōu)樘摴饩€；

第三步：像點(diǎn)定位，利用定位閉環(huán)結(jié)構(gòu)使波前傳感器4運(yùn)動(dòng)至被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡6的像點(diǎn)位置，并記錄像點(diǎn)位置坐標(biāo)，如圖1所示，即從實(shí)光線像點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到虛光線像點(diǎn)。圖3給出了像點(diǎn)定位過(guò)程中波前傳感器4與像點(diǎn)之間位置關(guān)系示意圖，在圖3(a)中，實(shí)心點(diǎn)表示測(cè)量視場(chǎng)FOV_i的像點(diǎn)，即目標(biāo)點(diǎn)，空心點(diǎn)表示波前傳感器4目前的焦點(diǎn)，也即上一測(cè)量視場(chǎng)FOV_i-1的像點(diǎn)，像點(diǎn)定位的目標(biāo)是將波前傳感器4的焦點(diǎn)與測(cè)量視場(chǎng)狀態(tài)下被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡6的像點(diǎn)重合，圖3(b)給出了數(shù)學(xué)描述，下面詳細(xì)介紹定位閉環(huán)結(jié)構(gòu)工作過(guò)程。

首先利用測(cè)量視場(chǎng)FOV_i的視場(chǎng)角，計(jì)算被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡6像點(diǎn)的理論位置，通過(guò)運(yùn)動(dòng)臺(tái)5將波前探測(cè)器4運(yùn)動(dòng)相應(yīng)理論位置，在該像點(diǎn)附近尋找入射光，根據(jù)子孔徑光斑的分布以及波前探測(cè)器4探測(cè)到波前信息中的傾斜、俯仰和離焦項(xiàng)數(shù)據(jù)閉環(huán)調(diào)整波前探測(cè)器4的位置和姿態(tài)，如圖4所示，圖4(a)表示理想像點(diǎn)附近的子孔徑光斑分布，左、上部分子孔徑?jīng)]有光斑，同時(shí)波前信息中存在的傾斜、俯仰和離焦項(xiàng)數(shù)據(jù)分別為Zn_tilt，Zn_tip，Zn_defocus。

其次，計(jì)算機(jī)3根據(jù)子孔徑光斑分布形式和波前信息，通過(guò)坐標(biāo)耦合關(guān)系，向運(yùn)動(dòng)臺(tái)5發(fā)送指令，在閉環(huán)過(guò)程中，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)指令。這里選取波前傳感器4子孔徑單元的光強(qiáng)判據(jù)函數(shù)來(lái)表示其光斑分布趨勢(shì)，表達(dá)式如下，

其中，I、I_n分別表示子孔徑內(nèi)的探測(cè)光強(qiáng)和光強(qiáng)臨界閾值，子孔徑內(nèi)的探測(cè)光強(qiáng)大于臨界閾值，記為1，否則記為0。

閉環(huán)定位結(jié)構(gòu)的判據(jù)函數(shù)如下，

C_j表示波前傳感器4中第j個(gè)子孔徑單元的光強(qiáng)判據(jù)函數(shù)數(shù)值，N表示波前傳感器4的子孔徑單元數(shù)量，Zn_tilt、Zn_tip、Zn_defocus分別表示被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡6光學(xué)系統(tǒng)波前信息中的傾斜、俯仰、離焦項(xiàng)數(shù)據(jù)，e_tilt、e_tip、e_defocus分別表示像點(diǎn)位置的傾斜、俯仰、離焦項(xiàng)容許誤差。

根據(jù)閉環(huán)定位結(jié)構(gòu)的判據(jù)函數(shù)，當(dāng)所有子孔徑都存在光斑，并且傾斜、俯仰和離焦項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到容許誤差范圍e_tilt、e_tip、e_defocus時(shí)，閉環(huán)終止，波前探測(cè)器4調(diào)整至被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡6的共焦位置，子孔徑光斑分布如圖4(b)所示。

最后根據(jù)運(yùn)動(dòng)臺(tái)5記錄的自由度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到測(cè)量視場(chǎng)FOV_i狀態(tài)下被測(cè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡6的像點(diǎn)位置，其坐標(biāo)(D_x，D_y，D_z)表達(dá)式如下所示，

其中，x_h、y_h、z_h、u_h、v_h分別表示波前傳感器4的運(yùn)動(dòng)臺(tái)5的三個(gè)平移自由度，和兩個(gè)垂直于光軸的旋轉(zhuǎn)自由度，L表示像點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)5基點(diǎn)間的距離。

第四步：全視場(chǎng)像點(diǎn)測(cè)量，根據(jù)第一步確定的測(cè)量視場(chǎng)，按序號(hào)重復(fù)第二步和第三步，直至全部完成，并記錄所有像點(diǎn)位置。

第五步：畸變和場(chǎng)曲擬合，將全部測(cè)量視場(chǎng)及其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)信息利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，根據(jù)畸變和場(chǎng)曲的特性可知，像點(diǎn)坐標(biāo)中沿光軸方向的坐標(biāo)分量表示場(chǎng)曲信息，垂直于光軸方向的坐標(biāo)分量表示畸變信息，對(duì)比像點(diǎn)的理想坐標(biāo)，計(jì)算得到具體的畸變和場(chǎng)曲數(shù)值。

上述實(shí)施例僅是為了清楚說(shuō)明本發(fā)明的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。