扫描哈特曼技术是检测大口径望远镜像质的常用方法,但其对不同阶次像差的检测能力和不同子孔径分布下的检测精度尚不明确。利用基于Zemax和Matlab的仿真模型对该技术的检测性能进行了探究。仿真结果表明:扫描哈特曼法能有效检测到最高第28阶像差,方均根(RMS)相对误差在5%以内,在对多阶混合像差检测时难以有效分辨其中的高阶成分;采用相切子孔径分布能较好地平衡检测精度和检测效率;增加子孔径数目能提升检测精度,但增加到一定数目后精度提升十分缓慢,同时检测时间大幅增加。

口径2 m的高质量平面反射镜可用于大口径光电设备像质评价和性能检测, 但受使用环境影响, 平面反射镜的面形精度不易长期保持稳定, 因此需要在使用前对其面形精度进行现场、快速校验, 而常规的全口径或子孔径干涉检测均难以满足上述需求。由于反射镜面形在制造过程引入的中高频误差已处于稳定状态, 环境扰动只引入低频像差, 而选择子孔径斜率扫描再重构波面低频轮廓的方法较适于面形精度现场校验。提出双五棱镜配合双测角仪进行子孔径斜率同步差分测量的方法, 可改善长测量周期内环境扰动引起的随机误差。并对测量设备光学、机械及控制系统进行设计, 提出采用2台S-H传感器代替传统测角仪用于子孔径斜率测量的解决方法。验证试验结果表明, 波面重构算法以及仪器测角精度可满足面形测量精度需求, 其与ZYGO干涉仪测量结果的互差小于20 nm(RMS)。

由于现有评价与测试方法不能满足3～4 m地基光电探测系统在不同仰角下对光学系统波前检测的需求, 本文提出了基于子孔径斜率离散采样, 再重构全口径波面轮廓的波像差测试方法。采用光学模拟与数学分析协同仿真的方法, 研究了波面重构算法的不确定度以及扫描运动引起的子孔径倾斜误差、子孔径扫描位置误差、像点坐标测量误差与波前复原精度间的作用规律。仿真结果显示, 迭代算法的相对误差ΔPV为0.002 8λ(λ=632.8 nm), 模式算法的相对误差ΔPV为0.002 7λ。当子孔径倾斜误差小于0.2″, 波面重构误差ΔPV约为0.02λ。当子孔径采样位置精度优于0.2 mm, 其引入的波面重构误差小于0.04 nm(PV); 当子孔径像点坐标提取精度优于5 μm, 波面重构误差ΔPV约为0.03λ。研究结果表明, 当考虑波面重构过程中的实际测量误差时, 模式算法的误差容限较高, 收敛性更好。此外, 构建实际测试装置时, 需引入角度监测与算法误差补偿机制, 子孔径倾斜角度监测系统的测角精度需优于0.2″。