大口径光学系统综合像差外场检测的方法

　　0 引 言

　　大口径光学系统广泛应用于目标探测和跟踪，通常采用卡赛格伦光学结构，见图 1，由大口径轻质镜主镜和与之相匹配的次镜组成，通过调节主、次镜的间距，控制光学系统的聚焦状态，实现对目标的跟踪和探测[1]。由于主镜口径大、光学元件多、结构复杂，大口径光学系统现场装校要求控制较高的精度。实际装校过程中，主、次镜装夹可能存在应力，主、次镜安装可能出现中心偏差和角度偏差，外场条件下环境温度、振动等因素可能引起光学系统结构失调，是导致大口径光学系统产生较大综合像差的主要原因。因此，其现场综合像差主要表现为像散项、彗差项和离焦项。由于大口径光学系统自身具有检焦和调焦能力，外场检测和评估大口径光学系统综合像差时，对于离焦像差可不予考虑。

　　对于在实验室或光学车间大口径光学系统的检测问题已经有很多的办法[2]，主要有干涉测量法和哈特曼波前测量法。干涉法测量对使用温度、振动等环境因素要求十分严格，只能在光学实验室内进行。哈特曼波前测量法事先用一束高质量的参考光标定，从而在现场测量时无需参考光，对环境的要求不像干涉仪那样敏感[3~5]。但常规哈特曼波前检测应用需要借助标准平面镜将自准直激光原路返回实现测量，通常标准平面镜自身表面精度要求应满足小于 λ/5(PV)，λ/25(RMS)，(λ=632.8 nm)。对于大口径光学系统综合像差检测而言，要在外场条件下配备相同口径、表面精度如此高的标准平面镜，技术难度较大，不容易实现。

　　文中介绍了大口径光学系统综合像差外场检测的一种新方法，以一定距离处点源激光作为探测光源，大口径光学系统对其进行聚焦，由哈特曼波前探测系统测量接收光束的波前，经过数据处理，最后可获得大口径光学系统现场综合像差。

　　1 检测方法

　　关于哈特曼波前测量原理已经有较多的报道[6-8]，文中不再细述。大口径光学系统综合像差检测前需要对哈特曼波前探测系统进行自身系统像差标定。现场检测时从一定距离处发射信标激光，大口径光学系统对信标光源进行调焦，探测光束经主、次镜后形成准直光束，由哈特曼波前探测系统测量光束的波前畸变。

　　图 2 为测量光路示意图。

　　图像处理时消除哈特曼波前探测系统自身像差，得到的结果记为 ΔW。考虑到环境因素的影响，测量结果可得：

　　实际测量过程中 ΔWATM为大气随机扰动引起的随机像差，可通过长时间采集、对图像进行数据融合进行平滑、消除; ΔWT主要表现为离焦像差，由于大口径光学系统自身具有检焦和调焦能力，该项像差实际上不影响系统能力，因此可对波前恢复数据去除离焦像，对该项像差不予考虑; ΔWT主要表现为整体倾斜，可通过对波前恢复数据去除整体倾斜项消除;得到的 ΔWS值能够反映大口径光学系统的静态固有像差，对检定大口径光学系统综合像质、指导现场装校有重要意义。