[发明专利]用于绝对距离测量的光学调制传递函数分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于绝对距离测量的光学调制传递函数分析方法，是一种高精度、毫米量级测量范围的绝对距离测量方法，属于光电检测技术领域。

技术背景

在天文学、精密测量学、军事技术中，常需要对几纳米到几微米的微小台阶高度(即标准镜与被测镜沿光轴方向的绝对距离)进行高精度测量。针对微小台阶高度的高精度测量，国内外学者已经提出了很多不同的测量方法，这些方法总体上可以分为两类。

第一类是接触式测量法，也称作直接测量法，利用三坐标测量机就可实现，但这种方法测量时间长，且易损伤被测物体表面。

第二类是非接触式检测方法，常用到的是光学检测方法，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。

2015年，比利时航天中心J.F.Simar等人提出了一种新的方法用于分块式主镜望远镜的共相位误差的粗测。被测分块镜与标准镜间沿光轴方向的绝对距离称为分块子镜间的共相位误差ΔL，如图1所示。其具体实施方法如下：在光路中设置离散的光阑孔，分别采集由相邻子镜反射的子光波，在后继光学系统焦面处可得到系统的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)，继而得到系统的光学调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)非归一化侧峰值MTF_ph，再对其归一化得到其中：MTF_cph为MTF中心峰值，n为子镜的个数。依次改变OPD，得到与其相对应MTF_nph，利用高斯拟合得到MTF_nph与OPD之间的关系：其中PAR是拟合参数。据此函数关系，通过测量MTF_nph可实现共相位误差的测量。(参见：Simar J F,Stockman Y,Surdej J.Single Wavelength Coarse Phasing In Segmented Telescopes[J].Applied Optics,2015,54(5):1118-1123.)这种方法测量范围大，但精度低，因此只能实现共相位误差的粗测，各子镜间共相位误差的精测还需借助其他检测方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述已有技术的不足，提出一种用于绝对距离测量的光学调制传递函数分析方法。该方法依据焦面光强分布计算得到MTF_nph，再对MTF_nph与ΔL的关系进行分段式四次多项式拟合，从而实现了大量程、高精度的瞬态绝对距离测量。

本发明使用的光路，包含平行光光源、分光板、标准镜、被测镜、光阑孔、聚焦透镜，其中光阑孔放置在光路的出瞳面。光源发出的平行光经过分光板到达标准镜和被测镜上，经标准镜和被测镜反射，两束携带光程差信息的平面光波分别通过光阑上的两个光阑孔，再通过聚焦透镜在焦平面上重合，发生干涉和衍射。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

用于绝对距离测量的光学调制传递函数分析方法，包含步骤如下：

步骤一、在测量系统的出瞳面设置光阑，光阑上设置的两个圆孔光阑分别采集参考光路与测量光路的光波，两束携带光程差信息的平面光波通过光阑孔，经过聚焦透镜在焦平面上发生干涉-衍射现象，其焦面上的光强分布即为PSF。

步骤二、对所得到的PSF进行傅里叶逆变换、取模，即可得到系统的MTF。MTF包含一个主峰、两个侧峰，两个侧峰关于主峰对称、大小相等。当参考光路与测量光路之间的光程差发生变化时可以看到MTF的主峰峰值MTF_cph大小不发生变化，侧峰峰值MTH_ph随ΔL的改变而改变。

步骤三、记录MTF主峰峰值MTF_cph，以0.1λ为步长改变测量光路与参考光路之间的光程差，可以得到一组变化的MTF侧峰峰值MTF_ph，将侧峰峰值进行归一化，归一化的MTF侧峰峰值(其中n是光阑孔的个数)，记录得到的MTF_nph随ΔL的变化数值(ΔL是光程差的二分之一)。