[发明专利]基于光学传递函数同时测量倾斜角和绝对距离的方法

说明书

本发明公开的基于光学传递函数同时测量倾斜角和绝对距离的方法，属于光电测量技术领域。本发明实现方法为：两束带有相位的光波聚焦在焦平面上发生干涉‑衍射或衍射现象，焦平面上的光强分布即为PSF，对PSF进行傅里叶变换得到OTF。选取单色光条件下OTF的一个侧峰对其虚部实部求比值得对应的侧峰相位传递函数，计算相位传递函数的梯度值，利用梯度值再计算出被测子镜的倾斜角，实现倾斜角测量。选取微分求和方法处理后的宽光谱条件下的光学传递函数OTF的一个侧峰取模得到对应的侧峰调制传递函数，归一化处理得MTF_nph，通过分段四次拟合得到MTF_nph与绝对距离的函数关系，根据所得函数关系求得绝对距离值，实现绝对距离的不受倾斜角误差影响的高精度测量。

技术领域

本发明涉及基于光学传递函数的同时测量倾斜角和绝对距离的方法，是一种大范围、高精度、高效的倾斜角和绝对距离的同时测量方法，属于光电测量技术领域。

背景技术

在天文学、精密测量学等领域，常需要对微小的倾斜角(如被测子镜绕其坐标轴的旋转角度)、台阶高度(如参考子镜与被测子镜沿光轴方向的绝对距离)等实现高精度测量，并对所测倾斜角和台阶高度进行校正，用于获得高分辨率的图像。针对倾斜角和台阶高度的测量，国内外学者已经进行了大量研究。

针对倾斜角的测量，目前广泛采用分阶段的模式实现倾斜角的大量程高精度测量：先用光斑质心探测法实现大倾斜角的低精度测量，此为粗测阶段；再用波前相位恢复法(Phase Retrieval，PR)或依据干涉条纹信息实现小倾斜角的高精度测量，此为精测阶段。目前最具代表性的JWST(The James Webb Space Telescopes)系统的共相位倾斜误差(tip和tilt)测量就是将质心探测法与PR方法结合，使用质心探测法进行倾斜角粗测，并校正至满足PR法的小倾斜角范围内，再用PR方法进行精测，最终实现对系统各子镜间倾斜角的高精度测量(参见James B.Hadaway,Conrad Wells,Gene A.Olczak,Mark Waldman,TonyL.Whitman,Joseph Cosentino,Michael Zarella,Mark Connolly,David M.Chaney,Randal Telfer,Performance of the center-of-curvature optical assembly duringcryogenic testing of the James Webb Space Telescope,Proc.SPIE 10698,SpaceTelescopes and Instrumentation 2018:Optical,Infrared,and Millimeter Wave,1069803(6July 2018))。

针对台阶高度的测量的方法总体上可以分为两类。第一类是接触式检测方法，接触式测量法又称作直接测量法，可以利用三坐标机实现，但是这种方法测量时间长，而且容易损伤物体表面；另一类是非接触式测量方法，常用的有光学检测方法，光学检测方法所要测量的实际台阶高度与参考光路和测量光路之间的光程差(Optical Path Difference,OPD)相对应，对于反射式光路而言OPD是所测台阶高度的两倍，通过测量OPD即可得到实际微小台阶高度。2016年，北京理工大学的赵伟瑞、蒋俊伦提出了基于光学传递函数的高精度绝对距离测量方法，可对台阶高度实现绝对测量，其基本原理是：在光路中设置离散的光阑孔，当被测子镜和参考子镜之间只存在绝对距离时，分别采集由两子镜反射的子光波，在后继光学系统焦面处得到系统的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)，再根据傅里叶光学原理得到系统的光学调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)，通过分段四次拟合得到归一化的MTF的侧峰峰值与绝对距离之间的函数关系，根据此函数关系可以实现对绝对距离的大范围、高精度测量。最终的绝对距离测量范围是光源的相干程长，精度可以达到纳米量级(参见：Jiang Junlun and Zhao Weirui,Phasing piston error insegmented telescopes,Opt.Express 24,19123-19137(2016))。