一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法

本发明涉及天文光学领域。具体地，本发明涉及一种基于退偏系数解算天文望远镜光学失调量的方法。

背景技术：

1、天文学是观测驱动的科学。地基天文望远镜研制技术的快速发展，也推动了观测科学的进步。地基天文望远镜作为主力天文观测设备，既追求大口径满足高分辨率需求，又追求大视场满足高效率测光巡天需求。口径和视场的增大，使地基天文望远镜对光学元件的准直度更为敏感。如何用精密手段，准确测量望远镜光学系统失调量，成为地基天文望远镜研制工作的前沿方向之一。

2、从偏振光学角度来看，光学元件的失调会引起光学系统整体穆勒矩阵的变化。换言之，借助偏振光学方法，可尝试对光学系统的准直与失调状态进行表征，进而求解光学系统失调量。光学系统的失调，会引起退偏系数的显著变化。退偏系数由穆勒矩阵分解计算得到，在表征系统偏振特性上具有稳定性和可靠性，适用于表征望远镜光学系统失调程度。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，用于高效获得望远镜光学系统的失调量，从而为望远镜的装调奠定基础。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，包括：

4、步骤1：定义望远镜光学系统的失调量，并在望远镜光学系统的像面上选择像点；

5、步骤2：获得望远镜光学系统不同像点处的穆勒矩阵和退偏系数；

6、所述穆勒矩阵的获得方法为：采用四束已知偏振态的光入射，这四束入射光的斯托克斯向量分别为：s0＝(1，1，0，0)t，s1＝(1，一1,0,0)t，s2＝(1，0，1，0)t，s3＝(1，0，0，1)t，对应的四个出射光斯托克斯向量分别为：

7、s′0＝(m00+m01，m10+m11，m20+m21，m30+m31)t；

8、s′1＝(m00-m02，m10-m12，m20+m22，m30+m32)t；

9、s′2＝(m00+m02，m10+m12，m20+m22，m30+m32)t；

10、s′3＝(m00+m03，m10+m13，m20+m23，m30+m33)t；

11、其中，mij为中的元素(i，j＝0，1，2，3)，t为矩阵转置符号；则输出穆勒矩阵为：

12、

13、所述退偏系数的获得方法为：基于公式分解所述穆勒矩阵，其中，mδ表示退偏矩阵，mr表示延迟矩阵，md表示衰减矩阵；基于所述退偏矩阵mδ获得退偏系数δ，表示为：

14、

15、其中，tr(mδ)表示退偏矩阵mδ的迹；

16、步骤3：通过粒子群优化算法进行迭代优化并解算光学系统的失调量。

17、进一步的，步骤3包括，采用粒子群优化算法迭代优化计算光学系统的最优失调量近似解，对粒子初始化，每个粒子代表一组可能的光学系统失调量(δtext1，δtext2，δtext3...δtextk)；粒子的速度和位置更新，建立目标函数g：

18、

19、式中，δj为初始退偏系数，δ′j定义为优化迭代过程中得到的光学系统退偏系数。

20、进一步的，步骤1包括，假设望远镜的光学系统共有k个失调量，记作(δ1，δ２，δ3…，δk)，其中k为失调量的总数，各失调量的取值范围设置为光学设计的元件公差范围，初始值在公差范围内；对应的光学系统初始退偏系数为δj(δ1，δ2，δ3…，δk)；在望远镜的像面选择四个不同像点，四个像点分布在望远镜光学系统视场的四个不同象限内。

21、进一步的，所述光学系统的失调量包括但不限于光学元件在三维坐标系中的偏心、倾斜角、俯仰角。

22、进一步的，所述步骤2中，假设斯托克斯向量为s＝(i，q，u，v)t的偏振光入射到望远镜光学系统中，出射光的斯托克斯向量为s′＝(i′，q′，u′，v′)t，其中，(i，q，u，v)分别代表偏振强度、两个线性偏振分量、圆偏振分量，则入射光与出射光之间的关系借助穆勒矩阵表示为：

23、

24、进一步的，在步骤3的求解过程中，假定迭代优化计算得到的光学系统失调量表示为(δtext1，δtext2，δtext3...δtextk)，对应求解得到的光学系统退偏系数为δ′j，优化过程将不断计算目标函数g；当目标函数小于目标值或优化次数已达到设置的迭代次数时，优化停止。

25、进一步的，迭代优化过程结束，检查望远镜光学系统失调量合理性，输出光学系统失调量(δtext1，δtext2，δtext3...δtextk)，即为天文光学望远镜光学系统各元件失调量。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明利用粒子群优化算法，通过迭代优化方式，利用望远镜光学系统的退偏系数，解算望远镜光学系统的失调量，可以快速获得光学系统的失调量，从而校正望远镜光学元件失调量，提高像质。

技术特征：

1.一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，其特征在于，步骤3包括，采用粒子群优化算法迭代优化计算光学系统的最优失调量近似解，对粒子初始化，每个粒子代表一组可能的光学系统失调量(δtest1，δtest2，δtest3…δtestk)；粒子的速度和位置更新，建立目标函数g：

3.根据权利要求1所述的一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，其特征在于，步骤1包括，假设望远镜的光学系统共有k个失调量，记作(δ1，δ2，δ3…，δk)，其中k为失调量的总数，各失调量的取值范围设置为光学设计的元件公差范围，初始值在公差范围内；对应的光学系统初始退偏系数为δj(δ1，δ2，δ3…，δk)；在望远镜的像面选择四个不同像点，四个像点分布在望远镜光学系统视场的四个不同象限内。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，其特征在于，所述光学系统的失调量包括但不限于光学元件在三维坐标系中的偏心、倾斜角、俯仰角。

5.根据权利要求1所述的一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，其特征在于，所述步骤2中，假设斯托克斯向量为s＝(i，q，u，v)t的偏振光入射到望远镜光学系统中，出射光的斯托克斯向量为s′＝(i′，q′，u′，v′)t，其中，(i，q，u，v)分别代表偏振强度、两个线性偏振分量、圆偏振分量，则入射光与出射光之间的关系借助穆勒矩阵表示为：

6.根据权利要求1或2所述的一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，其特征在于，在步骤3的求解过程中，假定迭代优化计算得到的光学系统失调量表示为(δtest1，δtest2，δtest3…δtestk)，对应求解得到的光学系统退偏系数为δ′j，优化过程将不断计算目标函数g；当目标函数小于目标值或优化次数已达到设置的迭代次数时，优化停止。

7.根据权利要求6所述的一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，其特征在于，迭代优化过程结束，检查望远镜光学系统失调量合理性，输出光学系统失调量(δtest1，δtest2，δtest3…δtestk)，即为天文光学望远镜光学系统各元件失调量。

技术总结
本发明公开了一种基于退偏系数解算天文望远镜光学系统失调量的方法，其步骤包括：1)定义望远镜光学系统的失调量，并在望远镜光学系统的像面上选择像点；2)获得望远镜光学系统不同像点处的穆勒矩阵和退偏系数；3)通过粒子群优化算法进行迭代优化并解算光学系统的失调量。本发明利用粒子群优化算法，通过迭代优化方式，利用望远镜光学系统的退偏系数，解算望远镜光学系统的失调量，可以快速获得光学系统的失调量，从而校正望远镜光学元件失调量，提高像质。

技术研发人员：李正阳,刘毓昌
受保护的技术使用者：中国科学院南京天文光学技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19