用于绝对距离测量的光学调制传递函数分析方法

摘要

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，是一种用于毫米量级的绝对距离测量方法，属于光电技术领域。本发明通过在测量光路出瞳面设置离散光阑孔，分别采集参考光波和测量光波，两束光波经聚焦透镜发生干涉衍射，通过探测焦面光强分布得到点扩散函数，进而得到光学调制传递函数。采用分段式四次多项式拟合获得调制传递函数侧峰峰值与绝对距离的函数关系。对于不同的被测绝对距离，通过测量调制传递函数侧峰峰值，利用拟合的函数关系进行计算，即可实现绝对距离的高精度测量。该方法测量迅速，原理简明，量程大，精度高，可用于高精度块规的标定、大型分块式主镜望远镜的共相位检测等方面。

主权项

用于绝对距离测量的光学调制传递函数分析方法，其特征在于，包括如下步骤：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，即点扩散函数；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，即光学调制传递函数；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MTF_ph随ΔL，即分块子镜间的共相位误差的改变而改变；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；步骤四、拟合MTF_nph与ΔL的函数关系；为了实现微小台阶的高精度大范围测量，首先利用四次多项式对MT_Fnph与ΔL的关系进行拟合，依据拟合得到的函数表达式计算出ΔL测量误差，这种方法在ΔL较小时，测量误差较大，达到微米量级；为进一步提高测量精度，采取了分段式四次多项式拟合方式，将整个量程L利用两段四次多项式进行拟合，第一段为ΔL从0到满量程的四分之一处，第二段为从满量程的四分之一处到满量程，拟合表达式如下式：${\mathrm{MTF}}_{nph}=\left\{\begin{array}{cc}{a}_1{\mathrm{\Delta L}}^4+b_1{\mathrm{\Delta L}}^3+c_1{\mathrm{\Delta L}}^2+d_1\Delta L+e_1& (0\le \Delta L<\frac{L}{4})\\ a_2{\mathrm{\Delta L}}^4+b_2{\mathrm{\Delta L}}^3+c_2{\mathrm{\Delta L}}^2+d_2\Delta L+e_2& (\frac{L}{4}\le \Delta L\le L)\end{array}\right.---\left(1\right)$其中(a₁，b₁，c₁，d₁，e₁，a₂，b₂，c₂，d₂，e₂)是拟合系数；依据分段式四次多项式拟合所得到函数关系计算出ΔL的测量误差，这种方法得到的ΔL的测量精度可以到达纳米量级；步骤五、通过测量焦面处的点扩散函数，计算得到MTF_nph，依据拟合所得的式(1)便可计算得出绝对距离。