本技術涉及光學系統(tǒng)測量，具體涉及一種基于旋轉雙棱鏡的光學系統(tǒng)畸變測量裝置及方法。

背景技術：

1、光學成像測量技術廣泛應用于現代工業(yè)、國防、測繪等領域，隨著應用需求和測量技術快速發(fā)展，對光學成像系統(tǒng)的觀測視場和測量精度都提出了更寬和更高的要求。光學系統(tǒng)的畸變雖然不影響圖像清晰度，但直接影響著測量結果的幾何位置精度，且誤差隨視場的增大而增大，引起測量結果失真。因此，在寬視場、高測量精度的光學系統(tǒng)中需要采取措施來降低或消除畸變帶來的影響。除了在光學設計階段盡可能對畸變進行校正外，對實際光學系統(tǒng)進行精準可靠的畸變測量，為后續(xù)修正提供數據基礎就顯得尤為重要。

2、常用的畸變測量方法主要有測長法、測角法、星點法等。其中，測長法是在物方設置標準網格板，被測光學系統(tǒng)對其進行拍攝，然后利用測量顯微鏡或比長儀測量目標圖案成像，通過比較計算得到畸變值。測角法是在鏡頭像面安裝標準網格板，將被測光學系統(tǒng)固定在精密轉臺回轉中心，在物方用望遠鏡觀察網格板，用轉臺測量每個像高對應的角度，反向計算出不同視場的實際像高，從而得到鏡頭畸變。這兩種方法的主要誤差有標準網格板的制作精度、轉臺測量角度誤差、人員標準誤差和刻度誤差等，制約了大視場高精度光學測量系統(tǒng)的畸變測量應用。星點法是利用點光源放置在平行光管焦面上，通過多維轉臺改變平行光源出射光束的角度實現視場變化，直接測量平行光源星點像在被測光學系統(tǒng)像面的彌散圓中心坐標，計算不同視場的像高得到被測光學系統(tǒng)的畸變量。星點法的主要誤差為多維轉臺的運動誤差，克服了測試基準的制作誤差及認為操作誤差，更容易實現大視場、高精度、以及大口徑光學系統(tǒng)的畸變測量。但是，高性能的平行光源通常要求具有較大的重量、體積，特別是俯仰角度變化時，存在安全風險。

技術實現思路

1、為了解決現有采用星點法實現光學系統(tǒng)畸變測量的技術中多維轉臺運動誤差、平行光源俯仰狀態(tài)變化的安全風險等問題，本技術提出了一種基于旋轉雙棱鏡的光學系統(tǒng)畸變測量裝置及方法，本技術采用二維直線運動機構和旋轉雙棱鏡組件代替多維轉臺實現視場變化、光束偏轉以及光束平移的控制，避免了多維轉臺運動誤差，同時無需對平行光源進行俯仰角控制，避免其引起的安全風險。

2、本技術通過下述技術方案實現：

3、一種基于旋轉雙棱鏡的光學系統(tǒng)畸變測量裝置，包括：

4、平行光源組件，所述平行光源組件包括二維直線運動機構和平行光管，所述二維直線運動機構用于驅動所述平行光管在垂直于光軸方向的平面內做直線運動，使所述平行光管發(fā)出的平行光束經過旋轉雙棱鏡組件后能夠射入被測光學系統(tǒng)的入瞳面；

5、旋轉雙棱鏡組件，所述旋轉雙棱鏡組件包括第一棱鏡、第二棱鏡旋轉機構、第二棱鏡和第二棱鏡旋轉機構，所述第一棱鏡旋轉機構驅動所述第一棱鏡繞光軸方向做旋轉運動，所述第二棱鏡旋轉機構驅動所述第二棱鏡繞光軸方向做旋轉運動，通過控制所述第一棱鏡旋轉機構、第二棱鏡旋轉機構的旋轉角度來實現光束角度偏轉控制，達到所述被測光學系統(tǒng)所需光束入射視場角度；

6、被測光學系統(tǒng)，所述被測光學系統(tǒng)包括入瞳面、光學鏡組和光電探測器，所述光學鏡組將射入所述入瞳面的平行光束聚焦在所述光電探測器上成星點像彌散光斑；

7、以及，計算機設備，所述計算機設備分別與所述二維直線運動機構、第一棱鏡旋轉機構、第二棱鏡旋轉機構、光電探測器電氣連接，實現運動量解算并向所述二維直線運動機構、第一棱鏡旋轉機構、第二棱鏡旋轉機構發(fā)送運動指令，并根據所述光電探測器的測量結果完成星點像彌散光斑中心坐標計算和畸變值計算。

8、在一些實施方式中，所述光學系統(tǒng)畸變測量裝置還包括：

9、測試平臺，所述測試平臺包括載物臺和升降機構，所述測試平臺用于放置所述被測光學系統(tǒng)；所述載物臺上設置所述入瞳面的安裝位置刻線，為所述被測光學系統(tǒng)安裝提供位置基準，所述升降機構實現所述被測光學系統(tǒng)光軸高度調節(jié)。

10、在一些實施方式中，所述第一棱鏡旋轉機構和第二棱鏡旋轉機構均采用電機；

11、和/或，所述第一棱鏡和第二棱鏡為單塊楔形鏡或楔形鏡組；

12、和/或，所述第一棱鏡和第二棱鏡之間的相對位置關系為背靠背方式、面對面方式或面對背方式。

13、在一些實施方式中，所述平行光管包括星點光源和準直鏡組；

14、所述星點光源模擬目標，所述準直鏡組實現光束平行出射。

15、另一方面，本技術還提出了一種基于旋轉雙棱鏡的光學系統(tǒng)畸變測量方法，所述光學系統(tǒng)畸變測量方法基于上述光學系統(tǒng)畸變測量裝置實現，包括：

16、將所述平行光源組件、旋轉雙棱鏡組件調節(jié)至基準視場位置；

17、安裝所述被測光學系統(tǒng)，并保證所述被測光學系統(tǒng)的入瞳面與安裝基準刻線重合；

18、根據所述平行光源組件的出射光束光軸高度，調整所述被測光學系統(tǒng)光軸高度，使所述被測光學系統(tǒng)的入瞳面與所述出射光束同心對稱；

19、計算得到每個待測視場下的所述二維直線運動機構的平移量、第一棱鏡旋轉機構旋轉角度和第二棱鏡旋轉結構旋轉角度；

20、控制步驟：根據待測視場順序，分別向所述二維直線運動機構、第一棱鏡旋轉機構和第二棱鏡旋轉機構發(fā)送相應的運動指令，并根據反饋位置信息確認執(zhí)行到位；

21、測量計算步驟：根據所述光電探測器測量得到的星點像彌散光斑，計算得到星點像彌散光斑中心坐標；

22、重復所述控制步驟和測量計算步驟，直到完成所有待測視場的測量和計算，根據各待測視場的星點像彌散光斑中心坐標，計算得到被測光學系統(tǒng)全視場范圍的畸變值。

23、在一些實施方式中，所述第一棱鏡旋轉機構旋轉角度和第二棱鏡旋轉結構旋轉角度的計算過程包括：

24、根據所述被測光學系統(tǒng)的視場角度與所述第一棱鏡旋轉機構旋轉角度、第二棱鏡旋轉機構旋轉角度之間的第一映射關系，計算得到每個待測視場下的所述第一棱鏡旋轉機構旋轉角度和第二棱鏡旋轉機構旋轉角度；其中，所述第一映射關系表示為：

25、

26、或者，

27、

28、式中，θ1、θ2分別表示第一棱鏡旋轉機構旋轉角度和第二棱鏡旋轉機構旋轉角度；θ表示球坐標系下入射光束的方位角，其根據所述被測光學系統(tǒng)在直角坐標系下的視場角度轉換得到；δθ表示第一棱鏡旋轉機構旋轉角度與第二棱鏡旋轉機構旋轉角度之差，其根據所述第一棱鏡和第二棱鏡的參數以及球坐標系下入射光束的俯仰角計算得到，球坐標系下入射光束的俯仰角根據所述被測光學系統(tǒng)在直角坐標系下的視場角度轉換得到；θ0表示引入旋轉雙棱鏡入射光束和出射光束之間的偏轉角度，其根據所述第一棱鏡和第二棱鏡的參數以及δθ計算得到。

29、在一些實施方式中，所述二維直線運動機構的平移量的計算過程包括：

30、根據所述被測光學系統(tǒng)的視場角度與所述二維直線運動機構的平移量之間的第二映射關系，計算得到每個待測視場下的所述二維直線運動機構的平移量；其中，所述第二映射關系表示為：

31、

32、式中，sx、sy分別表示所述二維直線運動在x方向、y方向的平移量；h1、h2、h3、h4分別表示沿雙棱鏡旋轉軸向方向，第一棱鏡左表面與右表面、第一棱鏡右表面與第二棱鏡左表面、第二棱鏡左表面與右表面、第二棱鏡右表面與入瞳面中心之間的距離；b1、b2、c1、c3、c4均表示中間參數，根據所述第一棱鏡和第二棱鏡的參數以及δθ計算得到。

33、在一些實施方式中，所述星點像彌散光斑中心坐標計算公式為：

34、

35、式中，cx、cy分別表示星點像彌散光斑x方向、y方向的中心坐標值；xij、yij、iij分別表示光電探測器第i行、第j列像素的x坐標、y坐標、灰度值；nx、ny分別表示光電探測器x方向、y方向的像素數量；px、py分別表示光電探測器單個像素x方向、y方向的尺寸；

36、采用下式計算各待測視場的畸變值：

37、

38、式中，qxi、qyi分別表示第i個視場x方向、y方向的畸變值；θxi、θyi分別表示第i個視場x方向、y方向的視場角度；cxi、cyi分別表示第i個視場x方向、y方向的彌散光斑中心坐標測量值；cx0、cy0分別表示基準視場x方向、y方向的彌散光斑中心坐標測量值；f0表示被測光學系統(tǒng)的焦距。

39、在一些實施方式中，所述第一棱鏡旋轉機構旋轉角度和第二棱鏡旋轉結構旋轉角度的計算過程包括：

40、根據所述被測光學系統(tǒng)的視場角度與所述第一棱鏡旋轉機構旋轉角度、第二棱鏡旋轉機構旋轉角度之間的第一映射關系，計算得到每個待測視場下的所述第一棱鏡旋轉機構旋轉角度和第二棱鏡旋轉機構旋轉角度；其中，所述第一映射關系采用一階近似法、矢量折射法、坐標轉換法解算得到。

41、在一些實施方式中，所述光學系統(tǒng)畸變測量方法還包括：

42、根據所有待測視場的畸變值測量結果，采用最小二乘法擬合得到所述被測光學系統(tǒng)二維畸變曲面，所述二維畸變曲面即畸變值與所述被測光學系統(tǒng)的視場角度的多項式函數關系；

43、在后續(xù)畸變測量過程中，根據不同的視場角度，利用所述多項式函數關系計算得到相應的畸變值。

44、本技術提出的一種基于旋轉雙棱鏡的光學系統(tǒng)畸變測量裝置及方法，采用二維直線運動機構和旋轉雙棱鏡組件代替多維轉臺實現視場變化、光束平移和光束偏轉控制，避免了多維轉臺運動誤差；二維直線運動機構實現平行光管的平移運動，平行光管無需進行俯仰狀態(tài)變化，從而避免了平行光管俯仰角度變化帶來的安全風險；旋轉雙棱鏡組件實現平行光束偏轉控制，具有結構緊湊、轉動慣量小，能夠實現大口徑光束大角度偏轉等優(yōu)點，提高了測量精度和可靠性；

45、本技術提出的一種基于旋轉雙棱鏡的光學系統(tǒng)畸變測量裝置及方法，通過被測光學系統(tǒng)的視場角度與第一棱鏡旋轉機構旋轉角度、第二棱鏡旋轉機構旋轉角度之間的映射關系，來確定第一棱鏡旋轉機構旋轉角度、第二棱鏡旋轉機構旋轉角度，同時通過被測光學系統(tǒng)的視場角度與二維直線運動機構的平移量之間的映射關系，來確定二維直線運動機構的平移量，并據此進行控制，從而使得旋轉雙棱鏡出射光束能夠射入被測光學系統(tǒng)入瞳面，保持出射光束與被測光學系統(tǒng)入瞳一致性，保證測量可靠性。