离轴反射系统用一贯式装调误差双通道检测装置及方法与流程

本发明涉及精密装调，特别涉及一种离轴反射系统用一贯式装调误差双通道检测装置及方法。

背景技术：

1、离轴反射系统具有视场大、谱段宽、结构紧凑、易于轻量化、中心无遮拦等优势，逐渐代替了传统的折射式成像系统与同轴反射系统，广泛应用于天文观测、军事侦查、航空航天、遥感探测等领域[刘柱. 离轴望远镜失调误差检测技术研究. 中国科学院长春光机所博士学位论文, 2021]。

2、随着成像系统设计及反射镜加工工艺的持续发展，镜片加工的精度已越来越高，位姿失调误差逐渐成为了影响离轴望远镜最终成像质量的最关键因素。但是，离轴成像系统装调存在诸多困难，包括：不存在旋转对称性，无法通过镜片外圆调整光轴；镜片面形各不相同，基准不统一；每个离轴镜片都存在倾斜和平移六个失调自由度等等。因此，离轴系统的装调难度远远大于同轴系统，是当前精密工程领域面临的重大难题。

3、目前，离轴反射系统大多通过计算机辅助装调[kim s, yang h s, lee y w, etal. merit function regression method for efficient alignment control of two-mirror optical systems. optics express,2007, 15:5059-5068]，基于干涉仪检测的波像差是最常见的装调误差评价指标，但该方法存在动态范围小、抗干扰能力差、成本高等缺点。

4、偏折测量[huang l, idir m, zuo c, et al. review of phase measuringdeflectometry. optics andlasers in engineering 2018, 107:247-257.]相当于一种逆向哈特曼测试，基于光线像差和波像差的关系，可直接用于测量成像系统中元件失调或面形误差导致的波像差。相对于干涉测量，其具有更大的动态范围，在光学系统的粗调阶段也可以使用，另外，其系统结构更加简单、轻便，便于进行多视场的探测。

5、但是，偏折测量的波前所对应的视场取决于相机和待测元件的相对位置，目前相关的研究基本都只关注0°视场，这显然是片面的。

6、另外，波像差只是像质的间接评价手段，仅考虑该单一因素不足以全面地评估离轴成像系统的实际性能，尤其是不同频段的响应能力。

7、因此，如何获取更完备的像质评价指标，同时兼顾时间和硬件成本也是提高望远镜性能所需解决的重要问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中基于干涉仪检测的离轴反射系统装调技术存在动态范围小、抗干扰能力差、成本高的问题，本发明的目的在于提供一种离轴反射系统用一贯式装调误差双通道检测装置及方法，以便于至少部分地解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种离轴反射系统用一贯式装调误差双通道检测装置，所述离轴反射系统包括主镜、次镜和三镜，其特征在于：所述装置包括对焦探测组件、偏折测量组件、运动控制机构和计算机；

4、所述对焦探测组件包括准直激光和针孔相机，所述准直激光布设于所述离轴反射系统的0°像方视场，所述针孔相机的光阑位于所述离轴反射系统的0°物方焦面；所述准直激光发出的激光束经过所述离轴反射系统后汇聚为球面波，并在所述针孔相机的靶面上形成光斑，所述光斑的强度和位置分别用于表征离轴反射系统中的所有镜片的平移和倾斜情况；

5、所述偏折测量组件包括数码光处理投影仪、散射屏、标准离轴抛物镜和双远心相机，所述数码光处理投影仪与所述散射屏组成屏幕且所述屏幕位于所述离轴反射系统的像方视场，所述标准离轴抛物镜的焦点位于所述离轴反射系统的像面上，所述双远心相机与所述标准离轴抛物镜的相对位姿固定，且所述双远心相机用于接收所述标准离轴抛物镜反射的准直平面波；所述屏幕用于显示不同空间频率下的输入条纹图案，所述输入条纹图案先经所述离轴反射系统汇聚为球面波，再经所述标准离轴抛物镜准直为平面波，最终由所述双远心相机获取到采集条纹图案；

6、所述运动控制机构用于在计算机的控制下带动所述偏折测量组件沿所述双远心相机的光轴方向移动，以便于调整所检测的视场；

7、所述计算机与所述针孔相机、所述屏幕、所述双远心相机以及所述运动控制机构电性连接；所述计算机用于根据所述光斑的强度和位置以及不同视场、不同空间频率下的输入条纹图案和采集条纹图案来检测所述离轴反射系统的装调误差。

8、在一些优选实施例中，所述准直激光沿所述离轴反射系统的光轴布置，且所述准直激光发出的激光束照射在所述主镜的中心处。

9、在一些优选实施例中，还包括分光镜，所述分光镜用于使进入所述对焦探测组件和所述偏折测量组件的光分开。

10、第二方面，本发明还提供一种离轴反射系统用一贯式装调误差双通道检测方法，所述方法应用于如上所述的装置，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

11、一、建立离轴反射系统初始装调基准；

12、二、基于对焦探测组件的装调，包括：

13、将准直激光布设在离轴反射系统的光轴上，并使准直激光发出的激光束照射在主镜的中心处，然后获取针孔相机的靶面上光斑的强度信息和位置信息；

14、三、基于偏折测量组件的装调，包括：

15、在由数码光处理投影仪和散射屏所组成的屏幕上显示输入条纹图案，双远心相机上对应形成采集条纹图案，所述输入条纹图案为空间频率为 f、调制度为 m i的正弦条纹；

16、利用相移法，由所述采集条纹图案解得两正交方向的相位图，并构建屏幕与双远心相机之间的像素对应关系，根据几何关系计算波前梯度，并由此进行波前重构，进而获得离轴反射系统的波像差；

17、改变所述输入条纹图案的空间频率 f，则对应地获得一组采集条纹图案；

18、根据各组采集条纹图案的调制度 m o以及对应的输入条纹图案的调制度 m i，计算获得与各空间频率 f相对应的调制传递函数mtf值，进而获得离轴反射系统的mtf曲线；

19、通过运动控制机构带动所述偏折测量组件沿双远心相机的光轴方向移动，每次移动后重复执行上述步骤，从而获得不同视场下离轴反射系统的波像差以及mtf曲线；

20、四、构建复合代价函数，包括：

21、根据所述光斑的强度信息和位置信息、不同视场下离轴反射系统的波像差以及mtf曲线来构建复合代价函数，并通过复合代价函数对离轴反射系统进行装调。

22、在一些优选实施例中，所述建立离轴反射系统初始装调基准，包括以下步骤：

23、利用平行光管以及激光追踪仪建立初装调基准，利用两块刻有十字的自准平面镜作为离轴反射系统的光轴标识，使两个自准平面镜的十字完全重合，两个十字中心的连线即为离轴反射系统的光轴；

24、将主镜的中心放置于所述光轴上，并通过激光追踪仪按照光学系统的设计值依次放置次镜以及三镜，从而建立离轴反射系统初始装调基准。

25、在一些优选实施例中，所述基于对焦探测组件的装调步骤中，通过放大所述针孔相机的光阑，以便于提高对具有大失调量的离轴反射系统的收敛能力。

26、在一些优选实施例中，所述基于偏折测量组件的装调步骤中，通过敏感度分析方法确定空间频率 f、偏折测量组件的移动量两个维度的采样方案。

27、在一些优选实施例中，在构建出复合代价函数后，通过灵敏度矩阵方法实现对离轴反射系统的装调。

28、采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：本发明通过双通道复合信号对离轴反射系统进行装调，基于对焦探测和偏折测量两个相互协作的光学检测系统，具有高于干涉仪的动态范围，使得在失调量较大的粗调和最终的精调阶段都可以使用，且具有较高的灵敏度和完备的像质评价能力，能够保证装调结果更为可靠。