基于扫描哈特曼的大口径空间光学系统检测技术

CIOMP OpenIR

	基于扫描哈特曼的大口径空间光学系统检测技术
	魏海松
学位类型	博士
导师	张学军
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	光学系统检测大口径空间望远镜像质评估扫描哈特曼多光束阵列拼接波像差
摘要	空间光学系统是空间光学遥感相机的核心。为了实现空间相机的大视场、高分辨率以及宽覆盖的需求,空间光学系统的口径和焦距不断增大。制造相应的大口径空间相机对光学加工手段和高精度检测技术提出了更高的要求。空间光学系统的检测是其制造过程中的重要环节,包括在实验室环境下用于系统装调的失调量检测以及在外场环境下光学相机发射前的成像质量检测。首先,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,制造与光学系统口径相当的标准平面镜越来越困难,世界上两米以上口径的标准平面镜少之又少,限制了这种方法在大口径空间光学系统检测上的应用。其次,制造完成的空间光学相机在由实验室搬运到发射基地的过程中,由于受到震动的影响,其光学性能可能发生改变,在发射基地的外场检测是确保相机成像质量满足要求的最后一把标尺。然而光学系统在封装完成后无法再进行自准直检测,传统的方法是使用平行光管对光学系统进行检测,平行光管模拟无穷远处像点,经光学系统成像后在像面形成点扩散函数,计算调制传递函数(MTF)并以此作为评估成像质量的指标。但是随着光学系统口径的不断增大,制造与光学系统口径相当、焦距是光学系统焦距两倍以上的平行光管成本极高。因此,对于大口径空间光学系统的检测,迫切需要低成本、高效率的新手段。哈特曼检测自1900年提出至今已有一个多世纪的历史,在这期间科学家们从未停止过对它的研究。哈特曼检测是基于光线的几何特性,通过测量表面面形或者波前的斜率信息,进而重构面形或者波前的一种方法,具有简单高效和高灵敏度的特点。如今基于哈特曼原理的波前探测技术在多个领域都得到了成功的应用,包括高精度光学检测、自适应光学以及生物识别等。本文提出了基于扫描哈特曼原理的大口径空间光学系统检测技术。以较小口径的平行光管扫描大口径光学系统的通光口径,避免了制造大口径平行光管所需的高额成本,具有简单高效的优势。并且针对扫描指向误差导致检测精度有所降低的缺陷,创新性地提出了使用多光束阵列扫描的拼接检测方法,利用重复区域的检测信息确定相邻采样位置的相对倾斜,解算扫描过程中的指向误差,修正重构波前,大幅度提高了检测精度。更进一步地,设计并开发了一套多光束拼接检测系统,应用此系统检测实际空间光学望远镜,得到了高精度的检测结果,验证了基于扫描哈特曼的多光束拼接检测方法检测大口径空间光学系统的能力。本文针对应用于大口径空间光学系统的扫描哈特曼检测技术进行了以下几个方面的研究:1、介绍了传统哈特曼检测反射镜的基本原理,并以此为基础提出了用于大口径空间光学系统的扫描哈特曼检测方法,通过建立物理模型和推导数学公式,研究了扫描哈特曼检测的理论模型。研究了扫描哈特曼检测的数据处理方法,包括基于斜率信息的波前重构算法和高精度质心提取算法。分析了扫描哈特曼检测的特性,讨论了其应用于大口径光学系统检测的优势。2、对整个检测过程进行计算机模拟和仿真,包括不同测量子孔径光斑质心能否准确识别与提取、低频波像差信息能否准确拟合,以此验证检测原理的正确性。并仿真分析了采样密度、平行光束口径和相邻子孔径重叠面积等参数的优选问题以及外来误差对检测结果的影响程度问题。同时,开展了扫描哈特曼检测的原理验证实验,搭建了检测光路,在规避了扫描指向误差的前提下,检测某200MM口径的光学系统的波像差,验证检测原理的可行性。3、针对扫描哈特曼检测过程中指向误差导致检测精度降低的缺陷,提出了多光束扫描的拼接检测方法,利用重叠区域检测信息,解耦扫描指向误差,大幅度提高了检测精度。研究优化了基于斜率Zernike拟合和波前斜率连续条件的指向误差解耦算法,并仿真验证了算法的解算精度。通过理论计算和计算机仿真,分析了多光束阵列参数和焦面图像传感器规格对检测效率和检测精度的影响。4、设计并开发了一套基于扫描哈特曼的多光束拼接检测系统,集成了位移平台自动扫描模块、光源开关时序控制模块、图像采集与实时显示模块、光管阵列的扫描指向误差监测与反馈调节模块和数据处理与结果显示模块等多项模块。并对检测系统做了误差标定,分析了各项误差对检测结果的影响。用此系统检测了某空间光学系统800mm口径的波像差,检测结果与干涉检测结果相比偏差接近1/50λ,重复性精度优于1/80λ,验证了其高检测精度和高可重复性精度的特点,并进一步分析了它抵抗环境干扰的能力,讨论了其应用于空间光学系统检测的实用意义。本文对基于扫描哈特曼的大口径空间光学系统检测技术的研究,从检测理论的提出、仿真分析和可行性验证到实际检测系统的设计开发、误差标定和检测实验,逐步实现了扫描哈特曼技术在大口径空间光学系统检测上的应用,为未来超大口径空间光学系统的检测提供了新的技术路线。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61631
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	魏海松. 基于扫描哈特曼的大口径空间光学系统检测技术[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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