光电子学与激光技术

TMT望远镜三镜系统的研究进展

王富国，杨飞，赵宏超，等

摘要：30 m望远镜（TMT）是当前正在设计建造的大型望远镜之一，其椭圆形三镜的尺寸为 3594 mm×2536 mm×100 mm，重量为1.8 t。一方面要求镜面面形误差SlopeRMS小于1 urad，谐振频率大于15 Hz；另一方面结构的重量小于4.8 t，并且设计空间非常狭小，这对结构设计提出了很大的挑战。简要介绍了我国加入TMT的重大意义及承担的任务，详细阐述了TMT三镜系统的技术难点、采用的技术方案以及技术指标等。TMT三镜系统分为三镜组件（M3CA）、三镜定位组件（M3PA）两个主要部分。针对M3CA，提出了采用基于kinematic原理的支撑方案，底支撑和侧支撑均采用whiffletree的结构形式，使三镜在镜室中的自由度为零，既不过约束，也不欠约束。对于 M3CA的底支撑系统，采用 18点whiffletree支撑方式，但是传统的whiffletree支撑方案应用在椭圆形平面镜上，其支撑效果并不好，分析发现，一是因为由于支撑结构自身的质量造成的实际平衡点的位置与理论位置有一定的误差，二是因为每个支撑点的支撑力不相等，对支撑结构造成的变形也不相等，因此采用力矩校正的方法对各个支撑力进行校正，校正后的面形误差达到RMS＝109.7 nm，SlopeRMS＝0.95 urad。对于M3CA的侧支撑系统，在经典的应用于圆形反射镜的3个均布切向杆的侧支撑方案的基础上，进一步发展了3组每组4点的whiffletree侧支撑方案，这种侧支撑方案只会在支撑点附近引起局部的泊松效应，因此支撑后的面形误差可以达到 RMS＝15 nm，SlopeRMS＝0.1 urad。分析发现，这种结构的拓扑形式对重力和温度引起的面形误差影响不大，但是对三镜系统的谐振频率影响较大，对其简化后，提出了等效圆的概念，等效圆的半径越大，则谐振频率越高，经优化后，三镜的谐振频率可以达到17.7 Hz。针对三镜在地震中的存活能力，进行了等效静态的有限元分析，找出了在不同状态下的最大应力位置，按照分析结果，设计了地震防护系统。采用力矩校正技术后的whiffletree支撑系统，其实际平衡点与理论平衡点位置重合，因此支撑效果较好，而且这种技术也可以应用在其他类似的whiffletree支撑系统中。对于侧支撑系统采用whiffletree支撑方案，总结了其拓扑形式与谐振频率的关系。针对M3PA的Tilt轴系，由于设计空间的限制，其驱动位于三镜的背后，采用了曲柄滑块形式，结构简单，易于实现，其倾斜精度在望远镜标校后可以达到 8（''）RMS。对于 M3PA的Rotator轴，为了避免“抖动”和“低速爬行”，采用双步进电机和双齿轮驱动，其轴承采用了三排滚子轴承，径向最大变形量是3.12 μm，轴向最大变形量是1.27 μm，旋转精度在望远镜标校后可以达到 9（''）RMS。TMT三镜系统是当前世界最大口径的椭圆形平面反射镜，而且其具有“旋转”和“倾斜”运动的功能。根据其特点和特殊要求，着重论述了三镜底支撑系统和侧支撑系统的方案，并在研究过程中，提出了力矩校正技术和等效圆的概念，在三镜面形误差满足要求的基础上提高了谐振频率。简要论述了M3PA的技术方案和进展。

来源出版物：中国光学, 2013, 6(5): 643-651

入选年份：2016

空间激光通信发展概述

吴从均，颜昌翔，高志良

摘要：目的：得益于现代激光技术和光学制造技术的进步，空间激光通信终端的研制在各个国家得到广泛重视。发展该项技术是增强我国经济实力、科技实力、国防实力和民族凝聚力的重要举措。旨在通过对激光通信终端国内外的发展状态进行调研，指出未来激光通信发展的方向和关键技术，为相关领域提供参考。方法：详细梳理和分析了各个国家空间激光通信技术的发展现状和技术特点，并通过各个载荷的光学结构、参数指标、仪器通信方式、研制作用等方面进行比较，全面概述了各载荷的优缺点。在重点仪器对比中，重点分析了以美国、ESA、日本等发达国家的代表性激光通信终端，比较了各自光学系统的优势。在对这些载荷进行充分概述的基础上指出未来激光通信发展的关键技术和发展趋势。结果：对比各个成功应用的激光通信终端，归纳激光通信的发展概况如下：（1）激光通信的发展主要集中在发达国家，发展中国家起步晚，投入度远不及发达国家，具有较大差距；（2）激光通信通信波长基本采用1550 nm激光，ATP系统多采用800～850 nm波长；（3）激光通信的通信速度和通信距离有关，现有技术下，采用激光通信方式在1000000 km距离以内数据传输速率能够达到Gb/s以上；（4）激光通信需要精密的光学、结构、电子学与其配套，可以带动多个学科的综合发展；（5）激光通信的大规模发展应用还需要解决很多关键技术，如高效能光学天线、高精度ATP系统、大气影响、高效调制技术、高性能激光器、稳定的发射和接收平台等。结论：具有高速、高带宽、抗截获、抗干扰、轻小型等诸多特点为一体激光通信系统必将成为未来空间通信的首选模式，作为发达国家研制的每个终端载荷都值得深入学习与借鉴。全面分析了国内外的研究状况，指出激光通信面临的关键技术问题和未来激光通信发展的趋势和方向。为激光通信设备及其相关领域仪器研制和研究提供了一定的参考。

来源出版物：中国光学, 2013, 6(5): 670-680

入选年份：2016

从Pleiades剖析新一代高性能小卫星技术发展

徐伟，朴永杰

摘要：目的：随着科学技术的发展，空间遥感已得到各领域的广泛应用，发展该项技术是增强我国经济实力、科技实力、国防实力和民族凝聚力的重要举措。在深入剖析新一代极限性能高分辨小卫星Pleiades的基础上，探索以载荷为中心的国际高性能新型卫星技术体制。方法：详细梳理和分析Pleiades卫星的技术特点，以其高空间分辨率、观测灵活性以及数据获取模式为核心，分析载荷与平台的一体化、集成化、多功能化设计理念与方法。包括多星组网轨道分布优化设计提升快速重访能力；采用同轴大F数TMA光学系统结合大像元TDI CCD应用实现高信噪比及高空间分辨率成像；利用分光方式实现全色及多光谱焦平面的一体化，通过亚像元拼接进而实现超分辨；以综合管理单元为核心，通过统一的接口和总线实现整星电子学一体化；利用以金字塔构型安装的控制力矩陀螺作为执行机构实现整星快速机动。并在此基础上，提出了包括CMOS TDI模式成像技术、高动态范围视频成像技术、基于可重构模块的柔性化集成技术、基于软件总线的星载软件设计技术以及星载一体化设计技术等创新型卫星技术发展方向。结果：对Pleiades进行深入分析，进而归纳其核心关键技术所达到的效果如下。（1）Pleiades采用相位差为 180°的组网方式运营，双星星座可实现对任意点每日观测。（2）光学系统采用同轴三反系统（TMA）结合大F数（20）的理念优化设计，通过敏捷机动能力扩展成像范围。（3）成像单元集视频信号处理等众多功能为一体，且采用亚像元拼接的方式进行超分辨，由于焦平面局部传感器数量的增多，因此利用分光技术将焦平面进行分解以实现视场拼接。（4）整星电子学系统采用一体化设计理念，以综合管理单元为核心，通过统一的接口和总线与星上设备直接相连，除完成常规星务管理任务外，还承担着有效载荷管理、姿态与轨道控制、热控及电源管理以及遥测遥控等任务，真正实现了整星一体化管理。（5）采用4个以金字塔构型安装的单框架控制力矩陀螺作为其主要执行机构。每个控制力矩陀螺最大可达45 Nm的输出力矩可保证整星具备快速的姿态机动能力。在此基础上，结合我国实际工程研发能力，在高分辨卫星领域提出如下创新研究思路。（1）CMOS TDI模式成像。CMOS传感器集成度高、成本低、功耗小、抗辐照能力强，具有航天应用前景，借助于FPGA强大的逻辑处理能力，可通过采用逐行叠加的卷帘数字域 TDI 算法实现CMOS的高分辨力高信噪比TDI成像。（2）高动态范围视频成像技术。基于优化改进多次曝光技术的高动态范围视频载荷可将高帧频成像传感器输出的多帧低动态范围视频帧融合为一幅高动态范围图像，最终形成帧频大于25 fps的高动态范围视频序列，以适应航天遥感领域不同的光照条件。（3）基于软件总线的星载软件设计技术。星载软件系统中总线上的各功能组件彼此之间相互独立，仅通过软件进行数据交互；软件总线又直接与底层操作系统及外部数据接口相连。只需通过配置组件列表即可实现软件重构，从而快速完成系统软件开发工作。（4）星载一体化设计技术。星载一体化是以载荷为中心，围绕载荷布局展开设计，在进行载荷和平台的设计时兼顾对方利益，通过采用光、机、热一体化设计与分析手段完成对整星结构参数的优化设计，使系统整体的性能最优。结论：具有高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高机动能力、高集成化等诸多特点为一体的高性能小卫星发展趋势已经形成，作为新一代极限性能高分辨小卫星Pleiades值得深入学习与借鉴。有针对性地剖析了Pleiades在轨道、光学系统、焦平面、电子学、姿态控制等多方面所采用的先进技术和设计理念，并在此基础上提出了适应国情的高性能平台载荷一体化卫星创新技术研究及发展方向。

来源出版物：中国光学, 2013, 6(1): 9-19

入选年份：2016

光场相机成像模型及参数标定方法综述

张春萍，王庆

摘要：光场相机成像模型与参数标定方法是扩展光场应用的理论基础和关键环节，已成为计算光场领域的研究热点。不同于传统相机的成像原理，光场相机通过新颖的光学系统将场景中的光线按照某种给定关系与图像传感器像元进行对应，实现对三维空间中光线位置和角度信息的采样与记录，可通过计算摄影学恢复场景的三维结构。利用对光场相机标定中的成像与参数化模型进行了分析，比较了不同物理参数设置对光场采样结果的影响；分析了光场相机的光线提取与校正方法、参数标定模型、误差定义与精度度量等主要问题，并对相机参数标定方法进行了归纳与总结。空间中光线可用七维全光函数表述，用以描述随位置、角度、时间以及波长变化的空间连续光场信号。若假设光线在自由空间中传播，且忽略传播中的能量衰减，任意时刻的空间光线可由四维函数参数化表示，衍生出了球面点对、点球、点切、双柱面等参数化模型。由于双平面模型具有采样模型简单，参数化方便的特点，现有光场采集设备均基于双平面模型。现有采样光路模型包括 Plenoptic 1.0和Plenoptic 2.0。Plenoptic 1.0通过在图像传感器平面与主透镜平面之间加装微透镜阵列，控制图像传感器与微透镜阵列距离为微透镜一倍焦距的方式，实现对光线角度维的采样。其中，光场位置分辨率等于微透镜阵列中的微透镜数，角度分辨率等于单个微透镜覆盖的像素数。考虑到现有微透镜制备工艺的限制，这种光路设计存在图像分辨率低且不可调节的问题。在此基础上，Plenoptic 2.0通过调节微透镜阵列的位置，控制传感器对主透镜的成像进行二次聚焦或者提前聚焦，达到光场角度采样的目的。该模型采样光场的角度分辨率与主镜头、微透镜阵列、图像传感器的相对安装位置有关，因此可通过调节安装参数来灵活改变光场分辨率，但仍存在角度与位置分辨率的折衷瓶颈。光场相机的参数标定是高精度场景重建的前提。针对参数标定问题，现有方法包括光场模型建立、光线特征提取、光线畸变矫正以及参数求解与优化等部分。在光场模型方面，现有主流方法均基于双平面模型对光场进行参数化，而对于双平面的参数定义以及位置描述存在差异。光线特征的提取是成像信息与先验信息建立关系的纽带，常用的特征主要包括点特征与线特征。由于光场相机在记录光线空间信息的同时记录了角度信息，故其畸变模型更为复杂，除了要考虑镜头径向畸变和视点畸变，还需考虑场景恢复的深度畸变。现有方法主要通过对光线的传播过程或成像规律进行分析，以建立数学模型并对其进行参数求解，而对于光场误差的定义形式多样，常用的误差函数包括重投影误差与点重建误差等，但必须保证其收敛结果能够唯一约束光场模型参数。光场相机突破了传统数字成像的局限，能够采样并记录光线的位置和角度信息，为解决计算机视觉问题提供了更有力的工具和途径。但受限于成像原理和传感器制备工艺，其较低的位置分辨率和较小的角度采样范围限制了光场相机的应用，故研究光场相机标定方法和光场参数化方法，是增强和拓宽现有光场成像性能及其应用的核心问题。现有标定模型和方法尚处于起步阶段，在光场相机标定的误差分析和精确度度量、多视光场重参数化理论与重采样方法等方面需要更加有效的解决方案。

来源出版物：中国激光, 2016, 43(6): 262-273

入选年份：2016

高速切换紧凑型双视场无热化红外光学系统设计

曲贺盟，张新

摘要：目的：随着红外探测技术的快速发展，高分辨红外成像技术在遥感、导引及导航方面应用需求越来越广泛。但是由于现今探测目标的动态性能越来越高，隐身性能也越来越好，导致传统红外探测手段难以满足针对目标的有效探测和精准跟踪。因此发展一种大视场短焦距用于搜索目标，小视场长焦距用于判别和精准跟踪目标，同时在目标搜索和跟踪过程中，光学系统高速切换，保证在视场切换过程中目标不丢失，且具有良好的环境适应性的双视场红外探测技术十分必要。方法：针对目前长波红外探测光学系统轻小型、高性能、高速视场切换和高环境适应性的要求，采用光学元件切入切出变倍方式，设计了工作波段7.7～10.3 μm，焦距28～128 mm，F数1.67的长波红外光学系统，光学系统长焦端远射比达到了1，同时采用二次成像结构形式，在一次像面处加入视场光阑，有效的提高了光学系统杂散辐射抑制能力，采用电磁阀变倍方式，实现60 ms的光学系统变倍速度，针对光学系统无热化要求，采用光学被动消热差方式，通过不同材料的匹配使系统实现了-40℃～＋50℃的无热化设计。设计结果在空间频率20 lp/mm处各视场调制传递函数接近衍射极限。在-40℃～＋50℃温度范围内成像质量没有明显下降。结果：由于总体对光学系统尺寸严格限制，系统前固定组采用折射率较大的Ge透镜，同时为了减小其引入像差，在内表面加入非球面设计。变倍组和二次成像镜组单独设计，变倍组变倍比为 4.6，优化时控制变倍组口径。二次成像镜组焦距为9.9 mm，光学系统孔径光阑位于探测器冷阑位置，系统入瞳位于前固定组。为了满足系统无热化设计和消色差，系统采用了Ge和ZnSe两种材料，前固定组采用一片高折射率低色散的 Ge材料单透镜，目的是增加前固定组光焦度，减小后组口径；变倍组选择两片透镜，均为折射率较高 Ge材料，第一片为负透镜，第二片为正透镜，光焦度正负分离以校正前固定组残留较大像差；后固定组采用单透镜，材料为Ge，规划为负光焦度，虽然相比于选择 ZnSe在色差校正方面相对较差，但是在无热化过程中为保证一次成像镜组在温度变化时的光焦度，负光焦度Ge材料更具优势。二次成像镜组采用3片透镜，分别为Ge、ZnSe和Ge，用以补偿前组剩余的高级像差。其中 ZnSe以其较小的阿贝数和起到校正系统色差和平衡热差的作用。系统采用2个非球面，分别位于透镜1后表面和透镜4前表面，非球面的加入是为了校正系统球差和像散，以提高光学系统整体成像质量。系统镜筒选择三段式，前、后组镜筒为线胀系数较大的铝合金材料，目的是保证在温度变化时系统前、后组焦距变化量较小；前、后镜筒中间连接段选择线胀系数较小的钛合金材料，目的是保证在温度变化时前组焦距变化对后组的物距影响最小，进而实现系统的无热化设计。从光学系统大小视场不同温度的调制传递函数，可以看出不同温度下光学系统传递函数接近衍射极限，因此可以证明光学系统在-40℃～＋50℃温度范围内实现了无热化设计。结论：基于288×4红外长波制冷探测器设计了一种紧凑型无热化双视场红外光学系统，实现了远射比1，F数1.67，通过光学元件切换变倍方式，配合电磁阀切换机构，实现了60 ms的系统变倍速度，同时采用光学被动补偿方式，在不增大系统体量的前提下，实现了-40℃～＋50℃温度范围内的光学系统无热化设计。设计结果表明：光学系统大小视场成像质量接近衍射极限，在-40℃～＋50℃温度范围内成像质量无明显变化，满足总体指标要求。

来源出版物：中国光学, 2014, 7(4): 622-630

入选年份：2016

用于图像拼接的电视摄像光学系统

史光辉，杨威

摘要：目的：在军事侦查、多目标弹道测量、机场安全和体育报道等方面，需要大视场、高角分辨率、低畸变、照度均匀的 CCD电视摄像。用现有的电视摄像技术是无法做到的。如果能有一项摄像技术，能将景物分成多个部份分别成像，然后再合在一起，就能解决这一市场需求。实现这一技术的关键是要有一个光学系统能将景物分成多个部分，然后分别成像，各图像中的景物是互相衔接的，然后再用图像处理技术解将其拼接成一幅图像。方法：光学系统由单心球透镜、中继物镜阵列和CCD阵列组成。成像的过程是，首先将无限远的景物经单心球透镜成一个球面像，其球心位在球透镜的球心上。然后将此球面像分成N×N或N×M个等份。在球面像的后面的中继物镜阵列中的每一个中继物镜解其对应的一部分球面像，分别成像到各自对应的CCD像面上。最后利用电视图像处理技术将N×N或N×M个像合成一个像。因为大视场是靠多块 CCD实现的，因此不必将焦距缩小，所以能够实现高角分辨率。当然，还需要校正好光学系统的像差。这是可以做到的。由于球透镜只产生色差和球差，这能够用改变半径之间的间隔和光学材料的办法校正好。而中继物镜的视场比较小，因此畸变可以很小，像差也可以校正得比较好，因为每一个中继物镜的光轴都通过球透镜的球心，所以各中继物镜的光路完全相同，因而各光路互相对应的光线的光程差也都相同，这样就会使成在各 CCD像面上的像的质量相同。将由每一个中继物镜的孔径光栏和视场光栏形成的光管，能够做到准确地成像，加上电视图像处理技术，最后拼接成的图像不会丢失景物细节，将孔径光栏设在中继物镜的前组上，可以使各路像面的照度相同。总之，这个光学系统能够保实现大视场、高角分辨率、低畸变、照度均匀成像结果：这一光学系统已成功地应用到由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所于 1994年研制成功的多目标弹道测量相机中。中继物镜阵列为 3×3、视场为 28.67°×17.05°、焦距 63.04 mm、入瞳直径30 mm，光点直径0.027 mm，光点的包围能量达到90%以上。几何畸变0.7 µm。各项指标都达到了要求。此外为了说明这一技术的应用前景，按此原理和方法还设计出一个中继物镜阵列为 20×20的光学系统、其焦距为457.9 mm、视场为120°×104.8°、像素为85亿、角分辨率为8′。将阵列改成20×10后，用这样的3个系统还可以实现360°×53.4°；全景式，高分辨率摄像。整个图像是由 600个图像拼接成的。这项成果于 1996年获得了国家发明专利。结论：对多目标弹道测量相机进行外景摄像试验表明，在图像中没有发现拼接痕迹，图像质量也比较好。该相机已实际应用。因此，这一用于电视图像拼接的光学系统是成功的。

来源出版物：中国光学, 2014, 7(4): 638-643

入选年份：2016

目标跟踪技术综述

高文，朱明，贺柏根，等

摘要：目的：目标跟踪技术一直是计算机视觉研究领域中的热点之一，其在军事侦察、精确制导、火力打击、战场评估以及安防监控等诸多方面均有广泛的应用前景。目标的不定向运动改变了目标和场景的外观模式，非刚性目标结构、目标间及目标与场景间的遮挡、摄像机的运动等情况使目标跟踪任务变得更加困难。本文主要论述单目标跟踪问题，从目标跟踪的应用、目标表示法、跟踪方法研究现状、难点及趋势等方面进行展开讨论，希望能够给更多从事相关领域学习研究的同仁们提供一些思路和帮助。方法：（1）跟踪技术的应用方面：目标跟踪在智能视频监控、人机交互、机器人视觉导航、虚拟现实、医学诊断等诸多方面都有着广泛的应用。（2）目标表示方法：目标能否准确有效的表示对于目标跟踪至关重要，归纳起来包括描述节点形状的点、几何形状、链状模型、骨骼模型、物体剪影和轮廓等方法以及基于外观表示的物体外观的概率密度、模板、主动外观模型、多视角外观模型等方法。（3）目标跟踪技术的研究现状：目标跟踪可以依据目标类型分为点目标跟踪和对于目标占有一定区域有纹理轮廓等特征的目标跟踪两种情况，对于点目标跟踪，文中介绍了确定性方法和统计学方法，而对于目标占有一定区域有纹理轮廓等特征的目标跟踪可分为基于特征点检测的方法、基于背景相减的帧差法、基于分割思想的方法、基于监督学习的方法及基于目标形状轮廓等特征的方法，文中分析了基于Moravec、Harris、KLT和SIFT等具有代表性的特征跟踪方法的优劣，并对帧差法从简单的两帧或者多帧相减到高斯估计、无参数内核密度估计、隐式马尔科夫模型、特征空间分解等的发展进行了介绍，概述了具有代表性的Meanshift、Graph-Cuts、主动轮廓等基于分割思想的目标跟踪方法，简要说明了自适应增强、支持向量机等基于监督学习的目标跟踪方法，最后从模板和基于密度的外观模型的跟踪、用多视觉的外观模型跟踪、形状匹配、轮廓跟踪4个方面对基于目标的形状轮廓等特征的目标跟踪方法进行了详细说明。结果：通过对于目标跟踪的应用方面的阐述可以看出目标跟踪的应用价值及学术研究价值，对于目标表示方法以及跟踪的研究现状的说明，对于同一个目标有多种不同的解决方法和思路，每种都有其优势也有不足之处。结论：近年来目标跟踪技术发展取得了很大进步，研发出了多个性能优良的跟踪器，可以在简单场景中实时跟踪目标。应用假设可以使跟踪的问题简单化（如平滑的运动、少量阻塞、光照恒定性、高对比度背景等），但这些假设在现实场景中是不存在的，限制了其在自动化监控、人机交互、视频检索、交通监控、车辆导航等应用领域的应用。发展不受约束、长期稳定的目标跟踪算法是未来的发展趋势也是挑战。因此，研究更有效的目标表示方法以及目标相似性度量方法以适应目标的外观变化是重要的研究方向。

来源出版物：中国光学, 2014, 7(3): 365-375

入选年份：2016

计算全息图补偿检测离轴非球面中的投影畸变校正技术

曾雪锋，闫锋，薛栋林，等

摘要：目的：研究、研制、调查等的前提、目的和任务，所涉及的主题范围；随着光学系统应用需求提升，光学元件面形复杂性越来越高，检测难度越来越大，计算全息图（computer-generated hologram，CGH）补偿检测是一种高效、高精度解决手段。结合微电子技术发展，计算全息图被越来越广泛的用于光学元件检测。利用计算全息图补偿干涉检测离轴非球面会引入二维投影畸变，此二维投影畸变会导致干涉检测结果二维分布与镜面误差实际分布非线性相关，导致难以开展高效的确定性光学加工。提出了基于检测光路仿射变换的投影畸变校正方法。通过追迹检测光路求解畸变映射函数，借助镜面特征点实现畸变校正结果与镜面的高精度对准，利用校验特征点实现校正误差检验。方法：所用的原理、理论、条件、对象、材料、工艺、结构、手段、装备、程序等；通过分析非球面补偿干涉检测光路模型，推导基于偶次多项式描述的非球面补偿干涉检测投影畸变映射关系。基于实际参数修正的光路模型，结合仿射变换的数学方法，建立投影畸变映射函数，用以计算并校正非球面补偿检测过程的投影畸变。首先，通过计算检测光路中给定沿被检面法线出射光线与补偿器端面交点坐标，建立映射关系，建立被检面光线交点与补偿器的光线交点二维非线性映射函数。在调整好的干涉检测系统中，沿理想镜面某点法向光线将会与 CGH有相应交点，只需计算镜面法向光线与 CGH的交点即可建立镜面与CGH映射关系。然后，借助在镜面上少量特征点，求解干涉仪焦面坐标系与CGH坐标系仿射变换参数。为求解仿射变换参数，需要掌握CCD和CGH平面至少两对点的坐标，据此拟合求解仿射变换参数，为此通过三坐标等设备获得镜面特征点的空间坐标，基于质心算法计算对应特征点在干涉检测结果中的像素坐标。基于求解仿射变换平移、旋转、缩放参数，结合非球面与补偿器端面非线性映射关系函数，从而构建检测结果与被检非球面二维投影畸变映射函数。基于投影畸变映射函数则可以将干涉检测结果的像素坐标变换为镜面坐标系下的几何坐标，实现投影畸变的高精度校正，用于光学加工文件计算和加工定位。结果：分析了计算全息补偿干涉检测离轴非球面的二维投影畸变产生过程，分析了补偿干涉检测光路模型，将畸变校正建立在干涉仪焦面到补偿器平面和镜面到补偿器平面两部分过程上。推导了并给出了偶次多项式描述的非球面补偿干涉检测投影畸变映射函数，建立了干涉仪焦面到补偿器平面和镜面到补偿器平面两部分的坐标仿射变换映射关系，并借助镜面特征点自检测畸变校正误差。提出的投影畸变校正技术被用于离轴非球面的加工、检测过程，该反射镜采用计算全息图补偿检测。通过镜面设置的特征点给出了校正误差，理论分析得出校正误差为像素级，针对实验反射镜，实验得出校正误差最大值为0.8761 mm，检测精度远远高于传统的畸变标定方法。能够满足离子束抛光、磁流变抛光等点对点的确定性加工技术的数据定位精度需求。根据畸变校正后面形文件，试验件经过离子束抛光，面形精度从0.068 λ RMS收敛到0.0162 λ RMS（λ＝0.6328 μm）。结论：光学元件补偿干涉检测会存在二维投影畸变，此投影畸变与补偿检测光路设计紧密相关，提出的投影畸变校正方法就是基于实际检测光路模型，通过建立检测结果与实际面形仿射变换函数关系，通过该畸变校正方法可以将补偿干涉检测获得的面形误差分布高精度地恢复到镜面实际位置上，误差位置恢复精度达到检测像素级别。通过高精度的二维投影畸变校正，实现高精度误差复位，为指导确定性光学加工提供指导。

来源出版物：中国激光, 2013, 40(11): 229-233

入选年份：2016