[發明專利]用于絕對距離測量的光學調制傳遞函數分析方法

有效

• 申請號: 201610053454.4
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105547168B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 趙偉瑞;蔣俊倫
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 毛燕

技術領域

本發明涉及用于絕對距離測量的光學調制傳遞函數分析方法，是一種高精度、毫米量級測量范圍的絕對距離測量方法，屬于光電檢測技術領域。

技術背景

在天文學、精密測量學、軍事技術中，常需要對幾納米到幾微米的微小臺階高度(即標準鏡與被測鏡沿光軸方向的絕對距離)進行高精度測量。針對微小臺階高度的高精度測量，國內外學者已經提出了很多不同的測量方法，這些方法總體上可以分為兩類。

第一類是接觸式測量法，也稱作直接測量法，利用三坐標測量機就可實現，但這種方法測量時間長，且易損傷被測物體表面。

第二類是非接觸式檢測方法，常用到的是光學檢測方法，所要測量的實際臺階高度與參考光路和測量光路之間的光程差(Optical Path Difference,OPD)相對應，對于反射式光路而言OPD是所測臺階高度的兩倍，通過測量OPD即可得到實際微小臺階高度。

2015年，比利時航天中心J.F.Simar等人提出了一種新的方法用于分塊式主鏡望遠鏡的共相位誤差的粗測。被測分塊鏡與標準鏡間沿光軸方向的絕對距離稱為分塊子鏡間的共相位誤差ΔL，如圖1所示。其具體實施方法如下：在光路中設置離散的光闌孔，分別采集由相鄰子鏡反射的子光波，在后繼光學系統焦面處可得到系統的點擴散函數(Point Spread Function,PSF)，繼而得到系統的光學調制傳遞函數(Modulation Transfer Function,MTF)非歸一化側峰值MTF_ph，再對其歸一化得到其中：MTF_cph為MTF中心峰值，n為子鏡的個數。依次改變OPD，得到與其相對應MTF_nph，利用高斯擬合得到MTF_nph與OPD之間的關系：其中PAR是擬合參數。據此函數關系，通過測量MTF_nph可實現共相位誤差的測量。(參見：Simar J F,Stockman Y,Surdej J.Single Wavelength Coarse Phasing In Segmented Telescopes[J].Applied Optics,2015,54(5):1118-1123.)這種方法測量范圍大，但精度低，因此只能實現共相位誤差的粗測，各子鏡間共相位誤差的精測還需借助其他檢測方法。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述已有技術的不足，提出一種用于絕對距離測量的光學調制傳遞函數分析方法。該方法依據焦面光強分布計算得到MTF_nph，再對MTF_nph與ΔL的關系進行分段式四次多項式擬合，從而實現了大量程、高精度的瞬態絕對距離測量。

本發明使用的光路，包含平行光光源、分光板、標準鏡、被測鏡、光闌孔、聚焦透鏡，其中光闌孔放置在光路的出瞳面。光源發出的平行光經過分光板到達標準鏡和被測鏡上，經標準鏡和被測鏡反射，兩束攜帶光程差信息的平面光波分別通過光闌上的兩個光闌孔，再通過聚焦透鏡在焦平面上重合，發生干涉和衍射。

本發明的目的通過以下技術方案實現。

用于絕對距離測量的光學調制傳遞函數分析方法，包含步驟如下：

步驟一、在測量系統的出瞳面設置光闌，光闌上設置的兩個圓孔光闌分別采集參考光路與測量光路的光波，兩束攜帶光程差信息的平面光波通過光闌孔，經過聚焦透鏡在焦平面上發生干涉-衍射現象，其焦面上的光強分布即為PSF。

步驟二、對所得到的PSF進行傅里葉逆變換、取模，即可得到系統的MTF。MTF包含一個主峰、兩個側峰，兩個側峰關于主峰對稱、大小相等。當參考光路與測量光路之間的光程差發生變化時可以看到MTF的主峰峰值MTF_cph大小不發生變化，側峰峰值MTH_ph隨ΔL的改變而改變。

步驟三、記錄MTF主峰峰值MTF_cph，以0.1λ為步長改變測量光路與參考光路之間的光程差，可以得到一組變化的MTF側峰峰值MTF_ph，將側峰峰值進行歸一化，歸一化的MTF側峰峰值(其中n是光闌孔的個數)，記錄得到的MTF_nph隨ΔL的變化數值(ΔL是光程差的二分之一)。