[发明专利]一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法

说明书

本发明涉及一种基于夏克‑哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，该测量方法中，采用小口径平行光源(1)入射被测光学系统(3)，通过扫描像面(5)使夏克‑哈特曼波前传感器(7)处于被测光学系统(3)的共焦位置，并记录扫描角度ω'_p1，利用夏克‑哈特曼波前传感器(7)测量波像差(4)引起的偏移角度ω'_p2，进而得到实际出射角ω'_p，ω'_p＝ω'_p1+ω'_p2，并根据理想出射角ω'_o，入射角ω和被测光学系统(3)焦距f'，得到不同视场状态下被测光学系统(3)的相对畸变量q和畸变量△y，△y＝qf'tanω。本发明的测量方法有效地降低了测量成本，提高了测量精度，增强了测量方法的通用性。

技术领域

本发明属于光学系统检测技术领域，特别涉及一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法。

背景技术

大视场光学系统能够提高利用效率，但是随着视场的增大，光学系统的畸变会随之增大，虽然畸变不影响光学系统的成像质量，但会引起图像的形状失真。这种形状失真对于不同的大视场光学系统的影响效果是不一样的，对于用于普通任务或者景物的照相物镜、电影摄像物镜和放映物镜等大多数非精密测量的物镜，相对畸变量只要不大于0.5％，就不会有多大影响，因为这是人眼已经觉察不出直线成像时的变形。对于用于复制和精密测量的光学系统，例如制版物镜、投影物镜和航空摄影测量物镜等，则对畸变大小有相当严格的要求，有的甚至要求在整个视场范围内绝对畸变量不超过几个微米。对于这样的光学系统，不仅在设计时要尽可能对畸变进行校正，而且光学系统还要仔细地进行畸变测量，以便作为使用中测量结果的修正量。大多数摄影物镜都是在物位于无限远或者相当远距离情况下使用的，因此，畸变的测量可以通过在给定视场角情况下测量像高来得到，也可以在给定像高下通过测量物方视场角得到。

在大口径望远镜领域，为了提高观测效率而将光学系统的视场设计较大，设计过程中，一般以中心视场的成像质量为基础，同时为了保证轴外视场的成像质量，通常以放大轴外视场的畸变作为条件实现。特别是应用于天体测量的大口径望远镜，畸变的准确测量就显得非常重要。

目前，光学系统成像畸变测量方法主要分为两种，一是精密测长法，二是精密测角法。精密测长法是指将标定过的网格板放置在被测光学系统的物方位置，使被测光学系统的光轴垂直网格板并通过其中心，记录网格在像平面的图案，用精密的测量仪器测量出各不同视场位置上的目标像到中心的距离；或是利用平行光源改变不同的入射视场角，测量不同视场位置上的目标像到中心视场像点的距离，例如在专利US5812260、US5471297、JP1123726等中描述的装置。精密测角法是利用平行光管或被测光学系统绕入瞳中心的垂直轴做相对转动，使得像面上星点像的中心坐标位于指定位置，通过计算像高和测量旋转角度来计算畸变，例如专利CN202522395等中描述的装置。

现有测量方法应用于大口径望远镜设备中，存在明显的缺陷，一是平行光源研制困难，平行光源的口径需大于被测光学系统的口径，这对于口径达到数米，甚至十数米或数十米的大望远镜不可能实现，二是测量器件的通用性，现有方法中测量器件通常采用显微镜或是CCD阵列，其靶面大于被测望远镜的视场范围，这对于长焦距、大视场、大口径望远镜来讲，其靶面通常达到数百毫米，成本较大，而且对于不同类型望远镜，不可能采用统一的靶面进行测量，一般都是需要针对性设计的，三是测量精度，像点位置在测量器件上通常利用质心算法计算其灰度值，得到质心，并用质心位置表示像点中心位置，这对于普通用途的光学系统而言，精度能够满足要求，对于计量用光学系统来讲，质心位置与像点实际中心位置存在偏差，这部分偏差随着像差增大而增大，达到微米级别，甚至毫米级别。