随着航天测绘技术的不断发展和航天测绘市场需求的壮大,对测绘相机系统的测量精度要求也越来越高,而畸变作为影响测绘相机定位精度的一个关键因素,它的高精度测量方法的研究也越来越受到重视。一方面通过前期的优化设计保证光学系统的畸变尽可能小,另一方面在光学系统装调过程中会不可避免地引起误差,导致系统畸变与设计时的畸变不同,所以畸变的高精度测量和校正效果直接影响测绘相机系统的测量精度。本论文主要研究如何高精度的测量光学系统的畸变,传统的畸变检测方法主要有两种,一种是利用平行光管模拟无穷远处的物点,物点经过光学系统后会成像在像面上,再借助高精度转台带动相机镜头转动,从而实现不同视场物点的成像,根据不同视场角度下对应的各个像点的位置,即可计算出系统的畸变,这种方法叫做星点法;另外一种方法是精密测角法,它是通过测量相机系统像面处的实际像高对应的系统的视场角度来实现畸变的测量,其中实际像高是借助于高精度的网格板,视场角度的测量则是利用高精度的转台。这两种方法都需要借助大尺寸高精度的转台,所以检测成本较高,并且不能同时对所有视场的畸变进行测量,故检测完成耗时较长,检测效率较低,另外,由于它们是基于时间域的测量,故检测结果更容易受到环境的干扰。激光分束器是一种特殊的衍射光学元件,它能够输出多束与入射光模式相同的光,由于这种特性,使得它在激光传感、激光通信、星载激光雷达测绘和并行制造等领域具有非常广泛的应用,尤其是在近几年兴起的人脸识别中,激光分束器的应用价值更加凸显。在以上背景下,本文提出了基于激光分束器的光学系统畸变测量。利用激光分束器能够同时产生多个不同角度光束的特点,可以无需像传统方法一样借助转台来实现不同视场畸变的测量,从而大大降低了检测成本,提高了检测效率,避免了时域测量对检测结果的影响,具有简单高效的优势。针对高精度畸变检测对视场角度高精度的要求,创新性地提出了利用自准直仪进行激光分束器分束角度高精度标定的方法,并且搭建完成了基于激光分束器的同轴光学系统的检测光路,建立了畸变的二维测量模型,实现了畸变的高精度测量。此外,对于大口径光学系统畸变的测量,分析了利用小尺寸激光分束器进行以小检大的可行性,为激光分束器在大口径光学系统检测中实现以小检大提供了理论和技术指导。本文针对利用激光分束器进行光学系统畸变检测的技术进行了以下几个方面的研究:1、综述了光学系统畸变检测技术的发展,并且介绍了传统的测绘相机系统畸变检测的原理和方法,分析了现有测量技术的不足之处,介绍了激光分束器的应用现状,在此基础上提出了基于激光分束器的光学系统畸变测量方法,讨论了这种方法的优势。研究了激光分束器的设计原理和加工方法,通过仿真激光分束器的传输特性,初步验证方法的可行性。2、针对畸变检测对于视场角度高精度的要求,提出了利用自准直仪进行激光分束器分束角度的高精度标定的方法,利用自准直仪的测量原理,创新性地采用外源的方式,实现对激光分束器出射光束的分束角度的标定,理论分析了影响测量结果的各个误差来源,在规避了测量误差的前提下,检测了5×5和9×9分束的激光分束器的二维角度分布,并且利用不确定度分析,验证了该方法能够实现激光分束器分束角度的高精度标定。3、设计并完成了基于激光分束器的光学系统畸变测量的原理验证实验,在9×9激光分束器角度标定完成的基础上,搭建了利用9×9激光分束器进行某同轴光学系统畸变检测的光路,分析了各项误差对检测结果的影响,将误差抑制到可以忽略的前提下,对采集到的光斑阵列进行数据处理,利用光斑阵列质心提取算法,快速地提取出各个光斑的质心位置,并建立了畸变的二维测量模型,计算出了对应视场下的畸变系数。另外,通过对畸变测量不确定的分析和计算,证明了该方法能够实现高精度的畸变测量。4、从理论角度和仿真角度分析了利用激光分束器进行大口径光学系统畸变检测,也就是以小检大的可行性。考虑到以小检大可能引入的各项误差,仿真分析了初级像差对某光学系统畸变检测的影响,检测某装调后的离轴三反系统的波像差并仿真分析了波像差对系统畸变检测的影响,除此之外,理论推导出了像面调整误差与系统畸变检测精度之间的关系。仿真结果显示通过合理选择激光分束器的尺寸,是可以满足畸变的检测精度要求的。这为激光分束器在大口径光学系统检测的应用,实现以小检大提供了理论和技术指导。本文对基于激光分束器的光学系统畸变检测技术的研究,从检测理论的提出、初步仿真验证方法可行性再到激光分束器的设计和加工、误差分析、激光分束器的角度标定,逐步到激光分束器进行光学系统畸变测量的原理验证,以及对于未来激光分束器应用于大口径系统畸变测量的可行性分析,都为激光分束器能够更好地应用于测绘光学系统检测中奠定了基础。