CN115901192A - 具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法及装置，用于解决现有的大口径光学系统波前检测精度不高的技术问题。本发明的检测方法为：根据CCD探测器探测到的干涉条纹对待测光学系统进行调节，实时对准并校正哈特曼波前传感器测量得到的待测光学系统波前信息；通过改进的Southwell模型波前重构算法对哈特曼波前传感器采集的图像实现待测光学系统的波前重构；根据哈特曼波前传感器获得的不同子孔径的波前相位信息，先将相邻两个子孔径有重叠区域的数据重新分配到非重叠区域上，再采用最大似然估计扫描拼接算法实现子孔径的拼接，得到拟合的待测光学系统全口径波前数据，大幅度提高了大口径光学系统的波前检测精度。

Description

具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法及装置

技术领域

本发明涉及波前检测技术，尤其涉及一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法及装置。

背景技术

光学望远镜作为天文观测、激光通讯等应用的主要光电探测设备，为了实现更高的成像分辨率与探测敏感度，光学望远镜的口径越来越大，因此，对光学望远镜的加工手段和高精度检测技术提出了更高的要求，光学望远镜的光学系统像质评估成为当前的研究热点。

当前大口径望远镜多场景、低时延以及高集成的原位计量需求成为光学检测系统中的重要技术难点。对于光学系统高精度波前检测问题，目前传统的用于系统装调的检测方法为干涉自准直检测法，干涉仪发出的球面光波经光学系统和标准平面镜反射后沿原路返回干涉仪，完成自准直检测。这种方法具有简单、高效和高精度的特点，但是随着光学系统口径的不断增大，大口径的标准平面镜加工难度大，重量重，搬运困难，其自身重力变形导致性能不稳定，限制了这种方法在大口径空间光学系统检测上的应用。随后行业提出利用夏克－哈特曼波前传感器收集有关入射光的相位信息来解算光学系统波前，夏克－哈特曼波前传感器通过微透镜阵列来产生聚焦图案，分析子光斑质心的偏移量复原待测波前的相位分布。夏克-哈特曼波前探测器结构简单，计算速度快，其光能利用率高，适合用于弱光探测，各项技术已经成熟，但是大型微透镜阵列制造难度大、成本高，而且加工时间长，受制于微透镜阵列的大小无法检测大口径的光学系统波前。因此，对于大口径的光学系统的波前检测，子孔径拼接检测技术应运而生，将子孔径拼接技术和干涉检测技术结合的子孔径拼接干涉检测技术成为解决大口径光学系统波前检测的有效手段。

中国专利CN110082073 A“一种在子孔径拼接检测光学系统透射波前中调整平面反射镜倾斜的装置和方法”，能够在子孔径位置处通过自准直仪调整平面镜的倾斜量，减少子孔径面型的倾斜误差，最终提高子孔径拼接检测光学系统透射波前的精度；干涉测量方法具备较高的测试精度，可以由条纹的稀疏程度来直观判断数据是否采集，其结合平面反射镜的拼接检测方法具备较好的应用前景，但是干涉测量易受空气扰动、环境振动等因素的影响，在实验室环境以外，如光学望远镜安装现场的应用中受到了限制。中国专利CN101493375 A“基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置”，设计了一种简单高效的拼接检测系统，采用全局优化拼接算法求解波面斜率图相对于基准子波面斜率图的绝对拼接参数，降低多帧扫描中误差积累和误差传递，提高拼接精度；哈特曼波前传感器相较于干涉测量，抗环境干扰能力强，但是在做系统测量时，数据结果的采集需要更多的人为判断。中国专利CN108151888 A“一种用于扫描哈特曼检测装置的误差解耦的方法”，采用光管阵列拼接检测大口径光学系统，通过引入基于斜率泽妮可多项式拟合的误差解耦，消除光管阵列在扫描检测过程中的机械运动误差，实现大口径光学系统的波前检测；但在光管阵列扫描过程中会不可避免引入指向误差，影响光学系统波前检测精度。综上所述，目前的子孔径拼接干涉检测技术存在光学望远镜的安装应用受限、数据采集需要人为判断以及在光管阵列扫描中会引入指向误差等问题，从而导致大口径光学系统波前检测精度不高。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的子孔径拼接干涉检测技术存在的光学望远镜安装应用受限、数据采集需要人为判断以及在光管阵列扫描中会引入指向误差而导致大口径光学系统波前检测精度不高的技术问题，而提供一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法及装置。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】将经扩束准直的激光分光为两路，一路为参考光束，另一路为探测光束，探测光束入射至待测光学系统；对待测光学系统波前通过子孔径进行扫描，获得携带待测光学系统当前子孔径相位信息的物光光束；将携带待测光学系统当前子孔径相位信息的物光光束分为两路，一路与参考光束合束后入射至CCD探测器，另一路入射至哈特曼波前传感器；

2】CCD探测器与哈特曼波前传感器同时探测待测光学系统当前子孔径的波前相位信息；根据CCD探测器靶面探测到的干涉条纹对待测光学系统的平移量、倾斜量及高阶像差进行调节，使待测光学系统当前子孔径的相位信息与哈特曼波前传感器的探测图像实现实时对准；

3】通过改进的Southwell模型波前重构算法对哈特曼波前传感器采集的待测光学系统当前子孔径的图像实现波前重构；

所述改进的Southwell模型波前重构算法为采用格栅点(i,j)周围的四个格栅点(i,j-1)、(i,j+1)、(i-1,j)、(i+1,j)处的斜率来估计格栅点(i,j)处的相位值；

4】对待测光学系统的各子孔径沿s形轨迹逐一扫描，每扫描一个子孔径，则重复步骤2-步骤3，直至使扫描轨迹遍历整个待测光学系统的通光口径，以采集不同位置的波像差，获得待测光学系统各子孔径的波前重构；

5】对步骤4获得的待测光学系统各子孔径的波前重构信息进行全口径波前拼接，若相邻子孔径之间不存在重叠区域，则直接采用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现相邻子孔径的拼接；若相邻子孔径之间存在重叠区域，则先将重叠区域的数据重新分配到非重叠区域上，再采用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现相邻子孔径的拼接；采用改进的最大似然估计扫描拼接算法得到拟合的待测光学系统全口径波前数据W为：

其中，A_p为Zernike多项式系数，Z_p为Zernike多项式的第p项，p＝4,5,…m，ρ_a为测量点在极坐标下的半径坐标，θ_a为测量点在极坐标下的角坐标。

进一步地，步骤3中，所述格栅点(i,j)的相位值φ^i,j通过下式计算：

其中，σ^i,j-1、σ^i,j+1、σ^i-1,j、σ^i+1,j分别表示格栅点(i,j-1)、(i,j+1)、(i-1,j)、(i+1,j)的数据模板，若测量点在格栅点阵内，则相应格栅点的值为1，若测量点在格栅点阵外，则相应格栅点的值为0；为格栅点(i,j-1)与(i,j)的间距，为格栅点(i,j)与(i,j+1)的间距，为格栅点(i-1,j)与(i,j)的间距，为格栅点(i,j)与(i+1,j)的间距；为格栅点(i,j)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j-1)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j+1)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j)竖直方向的斜率值，为格栅点(i-1,j)竖直方向的斜率值，为格栅点((i+1,j)竖直方向的斜率值。

进一步地，步骤5中，所述改进的最大似然估计扫描拼接算法为：

第i个子孔径下测量得到的第j个相位数据D_ij为：

其中，D_ij ^a为多项式分解数据，Z₁、Z₂、Z₃、分别为Zernike多项式的第一项、第二项以及第三项，P_i为第i个子孔径上的平移系数，Tx_i为第i个子孔径上x方向的倾斜系数，Ty_i为第i个子孔径上y方向的倾斜系数，residuals表示残差；

由于第i个子孔径下测量得到的第j个相位数据D_ij和多项式分解数据D_ij ^a的差值越小，证明模拟仿真效果越好，当其差值趋近于0时，拟合结果达到最佳，因此，为了求解待测光学系统的全口径波前系数，就等效于求解方程：

其中，u表示子孔径测量次数，v表示第i个子孔径上的数据个数；

通过测量点在极坐标下的半径坐标ρ_a和测量点在极坐标下的角坐标θ_a可以获得在不同模式的Zernike多项式Z₄,Z₅,Z₆...Z_m,Z₁,Z₂,Z₃，对第i个子孔径写成矩阵形式如下：

对上式进行最小二乘计算可以获得待测光学系统的全口径波前Zernike多项式系数A_p，即矩阵中的A₄～A_m，进而计算出待测光学系统的拟合全口径波前数据为：

进一步地，步骤2具体为：

遮挡哈特曼波前传感器探测光路，调节物光光路与参考光路发生干涉，使其呈现在CCD探测器靶面上进行探测；取消哈特曼波前传感器探测光路的遮挡，根据干涉条纹实时微调待测光学系统当前子孔径的平移量、倾斜量以及高阶像差，以调节入射光孔径在哈特曼波前传感器上的相对位置，使待测光学系统当前子孔径相位信息与哈特曼波前传感器的实时对准，并消除光学传递引入的误差。

进一步地，步骤5具体为：

将相邻两个子孔径测量的相位数据按照两个子孔径的两个非重叠部分以及重叠部分分别分配到3个数据组，然后通过最大似然估计扫描拼接算法对3个数据组进行拼接，获得两个子孔径的拼接数据，以此类推，得到待测光学系统的拟合全口径波前数据W；

或者，将相邻两个子孔径测量的相位数据按照两种不同的重叠方式划分为2个数据组，分别通过最大似然估计扫描拼接算法实现两种不同的重叠方式下2个数据组的拼接，得到两种不同重叠方式对应的拟合波前W₁和W₂，对W₁、W₂求均值以获得两个子孔径的拼接数据，以此类推，得到待测光学系统的拟合全口径波前W。

进一步地，步骤4中，在使用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现子孔径的拼接时，需要在各个子孔径测量时使用多次平均处理的方法抑制噪声。

为了实现上述一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，本发明还提供了一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测装置，其特殊之处在于，包括激光器、扩束准直系统、第一分光棱镜、第一平面反射镜、探测单元、CCD探测器、哈特曼波前传感器、小平面反射镜以及计算机；所述激光器的出射光通过扩束准直系统后入射至第一分光棱镜进行分光，形成探测光束和参考光束；

所述第一平面反射镜垂直位于第一分光棱镜参考光束的光路上；参考光束经第一平面反射镜反射后再次进入第一分光棱镜；

所述探测单元包括依次设置在第一分光棱镜探测光束光路上的第二分光棱镜、第二平面反射镜以及第二会聚镜头；待测光学系统位于第二会聚镜头的出射光路上，小平面反射镜垂直位于待测光学系统的出射光路上，用于通过小平面反射镜的移动实现待测光学系统各子孔径的扫描，并通过调节小平面反射镜的角度实现CCD探测器、哈特曼波前传感对待测光学系统当前子孔径相位信息的对准校正；

探测光束依次经第二分光棱镜、第二平面反射镜、第二会聚镜头后入射待测光学系统，待测光学系统的出射光经小平面反射镜反射后，反射光对待测光学系统当前子孔径完成扫描，形成携带待测光学系统当前子孔径相位信息的物光光束；物光光束依次经第二会聚镜头、第二平面反射镜进入第二分光棱镜；经第二分光棱镜分为两路，一路进入第一分光棱镜与参考光束合束后入射至CCD探测器，另一路入射至哈特曼波前传感器；CCD探测器和哈特曼波前传感器的输出端分别连接计算机，将CCD探测器靶面探测到的干涉条纹和通过哈特曼传感器微透镜阵列产生的聚焦图案传输至计算机，根据干涉条纹信息实现待测光学系统当前子孔径相位信息与聚焦图案的对准，将对准时哈特曼传感器获取到的当前子孔径相位进行波前重建，再将各个子孔径的波前重建信息拼接获得待测光学系统全口径的波前数据。

进一步地，所述扩束准直系统包括沿激光器的出射光路依次设置的显微物镜和第一会聚镜头；第一会聚镜头的出射光入射至第一分光棱镜。

本发明相比于现有技术的有益效果为：

1、本发明提供的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，在波前检测光路中引入哈特曼波前传感器和干涉测量系统，能够通过干涉条纹实时对准探测及校正波前，同时可在哈特曼波前传感器的靶面瞬态成像，克服了哈特曼传感器无法内部调节的问题，大幅度提高了大口径光学系统的波前检测精度。

2、本发明提供的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，提出改进Southwell波前重构算法，能够解决各个子孔径长宽各不相同的情况时，结果更接近真实波前数据，重建波前更加精确，其应用也更加广泛。

3、本发明提供的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，通过改进的最大似然估计拼接方法进行波前数据拼接处理，在处理子孔径不存在重叠时的稀疏子孔径波前拼接时可以方便指导装调，在相邻子孔径存在重叠区域时的波前拼接处理时可以准确的描述系统的波前分布，具备较高的灵活性和通用性。

4、本发明提供的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接装置，结构简单，操作方便，结合干涉测量系统的高灵敏度和哈特曼波前传感器的测量稳定度优点，可实现更为精确的波前测试，对大口径望远镜高精度波前检测的实现具有重要的意义。

5、本发明提供的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接装置，将其应用于大口径光学系统波前拼接检测时，在每个子孔径测量位置处，可使用干涉条纹的稀疏程度来直观反馈小平面反射镜的调整角度，在得到稀疏条纹分布后，使用哈特曼波前传感器测量该子孔径位置处的波前，对实现大口径望远镜高精度波前检测具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测装置的结构示意图；

图2为本发明一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法步骤2中不同像差组合的实时干涉条纹图；

图3为本发明检测方法步骤2中哈特曼波前传感器的探测图；

图4为本发明检测方法步骤3中改进的Southwell算法模型示意图；

图5为本发明检测方法步骤4中子孔径扫描轨迹图；

图6为本发明测方法步骤5中大口径成像系统拼接算法的两种子孔径数据处理方式示意图；其中，a为一种数据处理方式，将两个子孔径测量的相位数据按照两个子孔径的非重叠部分和重叠部分分别分配到3个数据组；b为另一种数据处理方式，将两个子孔径测量的相位数据按照两种不同的重叠方式划分为数据组。

具体附图标记如下：

1-激光器；2-显微物镜；3-第一会聚镜头；4-第一平面反射镜；5-第一分光棱镜；6-第二分光棱镜；7-第二平面反射镜；8-CCD探测器；9-哈特曼波前传感器；10-第二会聚镜头；11-待测光学系统；12-小平面反射镜。

具体实施方式

为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测装置，如图1所示，包括激光器1、扩束准直系统、第一分光棱镜5、第一平面反射镜4、探测单元、CCD探测器8、哈特曼波前传感器9、小平面反射镜12以及计算机13。本实施例中激光器1使用波长为633nm的He-Ne激光器，扩束准直系统由显微物镜2和第一会聚镜头3构成，可对激光光斑实现3倍的扩束效果；待测光学系统11包括依次排布的平面反射镜和离轴抛反射镜，分别适用于透射式光学系统及反射式光学系统。本发明中的小平面反射镜12用于沿s形轨迹对待测光学系统11的各子孔径逐一扫描，使扫描遍历整个待测光学系统11的通光口径，同时，通过调整小平面反射镜12的角度可以实现待测光学系统11当前子孔径相位信息与哈特曼传感器9的对准。

各光学器件的位置关系及工作原理为：激光器1的出射光依次经过显微物镜2和第一会聚镜头3后入射至第一分光棱镜5进行分光，形成探测光束和参考光束。第一平面反射镜4垂直位于第一分光棱镜5的参考光束的光路上，参考光束经第一平面反射镜4反射后再次进入第一分光棱镜5。探测单元包括依次设置在第一分光棱镜5探测光束光路上的第二分光棱镜6、第二平面反射镜7以及第二会聚镜头10；待测光学系统11位于第二会聚镜头10的出射光路上，小平面反射镜12垂直位于待测光学系统11的出射光路上，用于通过小平面反射镜12的平移实现待测光学系统11各子孔径的扫描，同时通过调节小平面反射镜12的方位俯仰角度实现CCD探测器8、哈特曼波前传感9对待测光学系统11当前子孔径相位信息的对准校正。探测光束依次经第二分光棱镜6、第二平面反射镜7、第二会聚镜头10后入射待测光学系统11，待测光学系统11的出射光经小平面反射镜12反射后，反射光对待测光学系统11进行扫描，形成携带待测光学系统11当前子孔径相位信息的物光光束；携带待测光学系统11当前子孔径相位信息的物光光束依次经第二会聚镜头10、第二平面反射镜7进入第二分光棱镜6；经第二分光棱镜6分为两路，一路进入第一分光棱镜5与参考光束合束后入射至CCD探测器8，另一路入射至哈特曼波前传感器9；CCD探测器8和哈特曼波前传感器9的输出端分别连接计算机13，将CCD探测器8靶面探测到的干涉条纹和通过哈特曼传感器9微透镜阵列产生的聚焦图案传输至计算机13，根据干涉条纹信息实现待测光学系统11当前子孔径相位信息与聚焦图案的对准，将对准时哈特曼传感器9获取到的当前子孔径相位进行波前重建，再将各个子孔径的波前重建信息拼接获得待测光学系统11全口径的波前数据。

基于上述的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测装置，本发明提供的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，具体包括以下步骤：

1】激光器1的出射光依次经显微物镜2和第一会聚镜头3后入射至第一分光棱镜5进行分光，形成两路光束，一路为参考光束，另一路为探测光束；探测光束依次经过第二分光棱镜6、第二平面反射镜7、第二会聚镜头10后入射至待测光学系统11，待测光学系统11的出射光经小平面反射镜12反射后，反射光对待测光学系统11的波前通过子孔径进行扫描，获得携带待测光学系统11当前子孔径相位信息的物光光束；携带待测光学系统11当前子孔径相位信息的物光光束依次经第二会聚镜头10、第二平面反射镜7进入第二分光棱镜6；经第二分光棱镜6分为两路，一路进入第一分光棱镜5与参考光束合束后入射至CCD探测器8，另一路入射至哈特曼波前传感器9；

2】待测光学系统11相位信息与哈特曼波前传感器9探测图像的实时对准

CCD探测器8与哈特曼波前传感器9同时探测待测光学系统11的波前相位信息；CCD探测器8靶面探测到的干涉条纹能够实时反应待测光学系统11的相位，如图2所示，为球差、慧差以及像散在不同像差组合时的实时干涉条纹图；哈特曼波前传感器9探测到的待测光学系统11的图像如图3所示；根据CCD探测器8靶面探测到的干涉条纹对待测光学系统11当前子孔径的平移量、倾斜量及高阶像差进行调节，使待测光学系统11的相位信息与哈特曼波前传感器9上探测到的图像实现实时对准，以进行补偿校正。具体的对准过程为：首先遮挡进入哈特曼波前传感器9的光束，调节携带待测光学系统11当前子孔径相位信息的物光光束，使其与参考光束发生干涉，干涉后的光呈现在CCD探测器8靶面上进行探测，产生干涉条纹；然后取消入射哈特曼波前传感器9的遮挡，通过干涉条纹实时微调光学系统探测器件相对位置，以精确调节入射光孔径在哈特曼波前传感器9上的相对位置，实现实时对准功能，并消除光学传递引入的误差，提高哈特曼波前传感器9的探测精度。

3】对待测光学系统11当前子孔径图像进行波前重构

通过改进的Southwell模型波前重构算法对哈特曼波前传感器9采集到的待测光学系统11当前子孔径的图像实现波前重构。目前波前重构算法主要为模式法和区域法，为处理子孔径长宽不一致及非方形有效数据的情况，本发明提出了改进的Southwell波前重构算法。如图4所示，为改进的southwell算法模型示意图，其采用格栅点(i,j)周围的四个格栅点(i,j-1)、(i,j+1)、(i-1,j)、(i+1,j)处的斜率来估计格栅点(i,j)处的相位值。Southwell波前重构算法的改进算法中用了一个数据模板σ^i,j，当σ^i,j＝1时，相位点(i,j)处是有值的；而当σ^i,j＝0时，该相位点是没有值的；Southwell波前重构算法的改进算法中分别为格栅点(i,j-1)、(i,j+1)、(i-1,j)、(i+1,j)引入了数据模板σ^i,j-1、σ^i,j+1、σ^i-1,j、σ^i+1,j，，若测量点在格栅点阵内，则相应格栅点的值为1，若测量点在格栅点阵外，则相应格栅点的值为0。设为格栅点(i,j-1)与(i,j)的间距，为格栅点(i,j)与(i,j+1)的间距，为格栅点(i-1,j)与(i,j)的间距，为格栅点(i,j)与(i+1,j)的间距；为格栅点(i,j)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j-1)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j+1)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j)竖直方向的斜率值，为格栅点(i-1,j)竖直方向的斜率值，为格栅点((i+1,j)竖直方向的斜率值，φ^i,j为格栅点(i,j)的相位值，那么它们之间有如下关系式：

结合(1)(2)(3)(4)式，可以得到格栅点(i,j)的相位值φ^i,j为：

其中，

若由组成的斜率数据矩阵中没有无效数据或没有标记点，且子孔径的长宽都一样，那么在矩阵的四个角处的格栅点有k^i,j＝2，在四条边处的格栅点有k^i,j＝3，而在内部的格栅点有k^i,j＝4。而本发明改进的Southwell算法在解决各个子孔径长宽各不相同的情况时，结果更接近真实波前数据。

4】扫描待测光学系统11的各个子孔径

为实现大口径波像差拼接测量，如图5所示，移动小平面反射镜12使其对待测光学系统11各子孔径沿s形轨迹逐一扫描；每扫描一个子孔径，则重复步骤2-步骤3，直至使扫描轨迹遍历整个待测光学系统11的通光口径，以采集不同位置的波像差，获得待测光学系统11各子孔径的波前重构；

5】完成待测光学系统11的全口径波前拼接

为了对待测光学系统11的不同子孔径进行精确拼接从而获得待测光学系统11的全口径波前相位，本发明采用改进的最大似然估计法准确描述系统的波前分布。传统的最大似然估计方法主要用于子孔径之间无重叠区域的系数孔径，本发明采用改进的最大似然估计扫描拼接算法可以实现各子孔径之间存在重叠区域时的拼接。本发明中，若相邻子孔径之间不存在重叠区域，则直接采用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现相邻子孔径的拼接；若相邻各子孔径之间存在重叠区域，使用两种数据处理方式先将重叠区域的数据重新分配到非重叠区域上，再采用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现相邻子孔径的拼接。如图6所示，图6中的a为一种数据处理方式，其将相邻两个子孔径测量的相位数据按照两个子孔径的两个非重叠部分以及重叠部分分别分配到3个数据组①②③，然后通过改进的最大似然估计扫描拼接算法对3个数据组进行拼接，获得两个子孔径的拼接数据，以此类推，得到待测光学系统11的拟合全口径波前数据W；图6中的b为另一种数据处理方式，其相邻两个子孔径测量的相位数据按照两种不同的重叠方式划分为2个数据组①②，分别通过最大似然估计扫描拼接算法实现两种不同的重叠方式下2个数据组的拼接，得到两种不同重叠方式对应的拟合波前W₁和W₂，对W₁、W₂求均值以获得两个子孔径的拼接数据，以此类推，得到待测光学系统11的拟合全口径波前W。根据这两种数据分处理方式，在采用改进的最大似然估计扫描拼接算法求解待测光学系统11的拟合波前时增加了拼接的通用性，其在稀疏孔径上时的拼接波前可以方便指导装调，而全口径有重叠区域的波前可以准确的描述系统的波前分布。

改进的最大似然估计扫描拼接算法具体如下：

第i个子孔径下测量得到的第j个相位数据D_ij为：

其中，D_ij ^a为多项式分解数据，Z₁、Z₂、Z₃、Z_p分别为Zernike多项式的第一项、第二项、第三项以及第p项，p＝4,5,…m，P_i为第i个子孔径上的平移系数，Tx_i为第i个子孔径上x方向的倾斜系数，Ty_i为第i个子孔径上y方向的倾斜系数，A_p为Zernike多项式系数，residuals表示残差，ρ_a为测量点在极坐标下的半径坐标，θ_a为测量点在极坐标下的角坐标。

由于第i个子孔径下测量得到的第j个相位数据D_ij和多项式分解数据D_ij ^a的差值越小，证明模拟仿真效果越好，当其差值趋近于0时，拟合结果达到最佳，因此，为了求解待测光学系统11的全口径波前系数，就等效于求解方程：

其中，u表示子孔径测量次数，v表示第i个子孔径上的数据个数。

通过测量点在极坐标下的半径坐标ρ_a和测量点在极坐标下的角坐标θ_a可以获得在不同模式的Zernike多项式Z₄,Z₅,Z₆...Z_m,Z₁,Z₂,Z₃，对第i个子孔径可以写成矩阵形式如下：

通过公式(8)进行最小二乘计算可以获得待测光学系统11的全口径波前Zernike多项式系数A_p，即矩阵中的A₄～A_m，进而计算出待测光学系统11的拟合全口径波前数据为：

值得注意的是，在使用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现子孔径的拼接时，需要在各个子孔径测量时使用多次平均处理的方法抑制噪声。

本发明提供的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，在波前检测光路中引入哈特曼波前传感器9和干涉测量系统，能够通过干涉条纹实时对准探测及校正波前，同时可在哈特曼波前传感器9的靶面瞬态成像，克服了哈特曼波前传感器9无法内部调节的问题，大幅度提高了波前检测精度。将该测试系统应用于大口径光学系统波前拼接检测时，在每个子孔径测量位置处，可使用干涉条纹的稀疏程度来直观反馈小平面反射镜12的调整角度，在得到稀疏条纹分布后，使用哈特曼波前传感器9测量该子孔径位置处的波前，其装置结构简单，操作方便，结合干涉测量系统的高灵敏度和哈特曼波前传感器9的测量稳定度优点，可实现更为精确的波前测试，对大口径望远镜高精度波前检测的实现具有重要的意义。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】将经扩束准直的激光分光为参考光束和探测光束两路；探测光束入射至待测光学系统(11)，对其波前通过子孔径进行扫描，获得携带待测光学系统(11)当前子孔径相位信息的物光光束；将物光光束分为两路，一路与参考光束合束后入射至CCD探测器(8)，另一路入射至哈特曼波前传感器(9)；

2】CCD探测器(8)与哈特曼波前传感器(9)同时探测待测光学系统(11)当前子孔径的波前相位信息；根据CCD探测器(8)靶面探测到的干涉条纹对待测光学系统(11)当前子孔径的平移量、倾斜量及高阶像差进行调节，使待测光学系统(11)当前子孔径的相位信息与哈特曼波前传感器(9)的探测图像实现实时对准；

3】通过改进的Southwell模型波前重构算法对哈特曼波前传感器(9)采集的待测光学系统(11)当前子孔径的图像实现波前重构；

所述改进的Southwell模型波前重构算法为采用格栅点(i,j)周围的四个格栅点(i,j-1)、(i,j+1)、(i-1,j)、(i+1,j)处的斜率来估计格栅点(i,j)处的相位值；

4】对待测光学系统(11)的各子孔径沿s形轨迹逐一扫描，每扫描一个子孔径，则重复步骤2-步骤3，直至使扫描轨迹遍历整个待测光学系统(11)的通光口径，以采集不同位置的波像差，获得待测光学系统(11)各子孔径的波前重构；

5】对步骤4获得的待测光学系统(11)各子孔径的波前重构信息进行全口径波前拼接，若相邻子孔径之间不存在重叠区域，则直接采用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现相邻子孔径的拼接；若相邻子孔径之间存在重叠区域，则先将重叠区域的数据重新分配到非重叠区域上，再采用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现相邻子孔径的拼接；采用改进的最大似然估计扫描拼接算法得到拟合的待测光学系统(11)全口径波前数据W为：

其中，A_p为Zernike多项式系数，Z_p为Zernike多项式的第p项，p＝4,5,…m，ρ_a为测量点在极坐标下的半径坐标，θ_a为测量点在极坐标下的角坐标。

2.根据权利要求1所述的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，其特征在于：

步骤3中，所述格栅点(i,j)的相位值φ^i,j通过下式计算：

其中，σ^i,j-1、σ^i,j+1、σ^i-1,j、σ^i+1,j分别表示格栅点(i,j-1)、(i,j+1)、(i-1,j)、(i+1,j)的数据模板，若测量点在格栅点阵内，则相应格栅点的值为1，若测量点在格栅点阵外，则相应格栅点的值为0；为格栅点(i,j-1)与(i,j)的间距，为格栅点(i,j)与(i,j+1)的间距，为格栅点(i-1,j)与(i,j)的间距，为格栅点(i,j)与(i+1,j)的间距；为格栅点(i,j)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j-1)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j+1)水平方向的斜率值，为格栅点(i,j)竖直方向的斜率值，为格栅点(i-1,j)竖直方向的斜率值，为格栅点((i+1,j)竖直方向的斜率值。

3.根据权利要求2所述的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，其特征在于：

步骤5中，所述改进的最大似然估计扫描拼接算法为：

第i个子孔径下测量得到的第j个相位数据D_ij为：

其中，D_ij ^a为多项式分解数据，Z₁、Z₂、Z₃、分别为Zernike多项式的第一项、第二项以及第三项，P_i为第i个子孔径上的平移系数，Tx_i为第i个子孔径上x方向的倾斜系数，Ty_i为第i个子孔径上y方向的倾斜系数，residuals表示残差；

由于第i个子孔径下测量得到的第j个相位数据D_ij和多项式分解数据D_ij ^a的差值越小，证明模拟仿真效果越好，当其差值趋近于0时，拟合结果达到最佳，因此，为了求解待测光学系统(11)的全口径波前系数，就等效于求解方程：

其中，u表示子孔径测量次数，v表示第i个子孔径上的数据个数；

通过测量点在极坐标下的半径坐标ρ_a和测量点在极坐标下的角坐标θ_a可以获得在不同模式的Zernike多项式Z₄,Z₅,Z₆...Z_m,Z₁,Z₂,Z₃，对第i个子孔径写成矩阵形式如下：

对上式进行最小二乘计算可以获得待测光学系统(11)的全口径波前Zernike多项式系数A_p，即矩阵中的A₄～A_m，进而计算出待测光学系统(11)的拟合全口径波前数据为：

4.根据权利要求3所述的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，其特征在于：

步骤2具体为：

遮挡哈特曼波前传感器(9)探测光路，调节物光光路与参考光路发生干涉，使其呈现在CCD探测器(8)靶面上进行探测；取消哈特曼波前传感器(9)探测光路的遮挡，根据干涉条纹实时微调待测光学系统(11)当前子孔径的平移量、倾斜量以及高阶像差，以调节入射光孔径在哈特曼波前传感器(9)上的相对位置，使待测光学系统(11)当前子孔径相位信息与哈特曼波前传感器(9)的实时对准，并消除光学传递引入的误差。

5.根据权利要求4所述的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，其特征在于：

步骤5具体为：

将相邻两个子孔径测量的相位数据按照两个子孔径的两个非重叠部分以及重叠部分分别分配到3个数据组，然后通过最大似然估计扫描拼接算法对3个数据组进行拼接，获得两个子孔径的拼接数据，以此类推，得到待测光学系统(11)的拟合全口径波前数据W；

或者，将相邻两个子孔径测量的相位数据按照两种不同的重叠方式划分为2个数据组，分别通过最大似然估计扫描拼接算法实现两种不同的重叠方式下2个数据组的拼接，得到两种不同重叠方式对应的拟合波前W₁和W₂，对W₁、W₂求均值以获得两个子孔径的拼接数据，以此类推，得到待测光学系统(11)的拟合全口径波前W。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，其特征在于：

步骤4中，在使用改进的最大似然估计扫描拼接算法实现子孔径的拼接时，需要在各个子孔径测量时使用多次平均处理的方法抑制噪声。

7.一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测装置，用于实现权利要求1-6任一所述的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测方法，其特征在于：

包括激光器(1)、扩束准直系统、第一分光棱镜(5)、第一平面反射镜(4)、探测单元、CCD探测器(8)、哈特曼波前传感器(9)、小平面反射镜(12)以及计算机(13)；所述激光器(1)的出射光通过扩束准直系统后入射至第一分光棱镜(5)进行分光，形成探测光束和参考光束；

所述第一平面反射镜(4)垂直位于第一分光棱镜(5)参考光束的光路上；参考光束经第一平面反射镜(4)反射后再次进入第一分光棱镜(5)；

所述探测单元包括依次设置在第一分光棱镜(5)探测光束光路上的第二分光棱镜(6)、第二平面反射镜(7)以及第二会聚镜头(10)；待测光学系统(11)位于第二会聚镜头(10)的出射光路上，小平面反射镜(12)垂直位于待测光学系统(11)的出射光路上，用于通过其平移实现待测光学系统(11)各子孔径的扫描，并通过调节小平面反射镜(12)的角度实现CCD探测器(8)、哈特曼波前传感(9)对待测光学系统(11)当前子孔径相位信息的对准校正；

探测光束依次经第二分光棱镜(6)、第二平面反射镜(7)、第二会聚镜头(10)后入射待测光学系统(11)，待测光学系统(11)的出射光经小平面反射镜(12)反射后，反射光对待测光学系统(11)当前子孔径完成扫描，形成携带待测光学系统(11)当前子孔径相位信息的物光光束；物光光束依次经第二会聚镜头(10)、第二平面反射镜(7)进入第二分光棱镜(6)；经第二分光棱镜(6)分为两路，一路进入第一分光棱镜(5)与参考光束合束后入射至CCD探测器(8)，另一路入射至哈特曼波前传感器(9)；CCD探测器(8)和哈特曼波前传感器(9)的输出端分别连接计算机(13)，将CCD探测器(8)靶面探测到的干涉条纹和通过哈特曼传感器(9)微透镜阵列产生的聚焦图案传输至计算机(13)，根据干涉条纹信息实现待测光学系统(11)当前子孔径相位信息与聚焦图案的对准，将对准时哈特曼传感器(9)获取到的当前子孔径相位进行波前重建，再将各个子孔径的波前重建信息拼接获得待测光学系统(11)全口径的波前数据。

8.根据权利要求7所述的一种具有实时对准功能的光学系统波前拼接检测装置，其特征在于：

所述扩束准直系统包括沿激光器(1)的出射光路依次设置的显微物镜(2)和第一会聚镜头(3)；第一会聚镜头(3)的出射光入射至第一分光棱镜(5)。

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