專利名稱：光學成像系統(tǒng)波相差的測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對光學成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量進行精確測評的一種測試光學系統(tǒng)波相差的方法。
背景技術：
所謂光學系統(tǒng)的波相差是指光學成像系統(tǒng)的光學波面與理想波面的位相誤差。光學系統(tǒng)的波相差可以真實與直觀地表述光學成像系統(tǒng)的質(zhì)量狀態(tài)。通常情況下，通過對光學成像系統(tǒng)波相差的測試可對光學成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量進行精確測評，掌握光學成像系統(tǒng)內(nèi)部部件所處狀態(tài)，用于指導光學系統(tǒng)的加工與安裝、調(diào)試。
對無窮遠距離點目標成像的光學系統(tǒng)，在其焦平面(像面上)上所成的
像表述了光學系統(tǒng)成像質(zhì)量，這個點目標像在光學上稱為點擴散函數(shù)(PSF)。在光學成像質(zhì)量測評領域中，可以通過對PSF的采集與測試而獲得光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(OTF)，進而實現(xiàn)對光學成像系統(tǒng)分辨能力的測評。
光學系統(tǒng)的波相差與點擴散函數(shù)、光學傳遞函數(shù)之間存在著數(shù)學變換關系，可通過傅立葉變換或自相關計算實現(xiàn)從光學系統(tǒng)波相差到點擴散函數(shù)和光學傳遞函數(shù)的變換。本發(fā)明就是通過測試獲得的點擴散函數(shù)圖像，經(jīng)過數(shù)學計算分析而得到被測試光學系統(tǒng)的波相差，從而掌握光學系統(tǒng)調(diào)試狀態(tài)，判斷光學系統(tǒng)是否裝調(diào)到位。
目前測試光學系統(tǒng)的波相差是通過采用干涉方法，由干涉儀、基準平面鏡和被測試光學成像系統(tǒng)構(gòu)成測試光路，通過自準方式實現(xiàn)對光學系統(tǒng)波相差的測試。
參見圖6，干涉儀測試光學成像系統(tǒng)的波相差測試過程，是由干涉儀12發(fā)出球面光波，球面光波的球心調(diào)試到被測試光學成像系統(tǒng)5像面上，球面 光波通過被測試光學成像系統(tǒng)后轉(zhuǎn)為平面波(平行光)，此光束經(jīng)平面反射鏡 11反射后，按原路返回，進入被測試光學成像系統(tǒng)5，在被測試光學成像系
統(tǒng)5后形成球面波，在其像面上會聚后進入干涉儀12，與干涉儀12的基準 光學波面干涉，產(chǎn)生干涉條紋，經(jīng)過其內(nèi)部圖像采集、測試與計算系統(tǒng)處理 后，給出被測試光學成像系統(tǒng)光學波像差。
這種方法的使用條件有一定的局限性。除了需要干涉儀外還要有相應口 徑面形良好的平面反射鏡作為測試基準，因此，平面鏡的面形質(zhì)量將直接影 響測試結(jié)果的準確性。對于口徑1米~2米、面形誤差均方值小于人/40 a=632.8nm)的平面基準鏡在研制方面需要高成本，而且加工風險與檢測難 度極大，不易實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服目前慣用的干涉方法測試光學系統(tǒng)波相差存在的 上述缺點，提出一種新型的光學成像系統(tǒng)波相差的測試方法，其測試結(jié)果準 確性高、所需測試技術條件易于實現(xiàn)、測試成本低。
本發(fā)明光學成像系統(tǒng)波相差的測試方法，是通過在被測試光學系統(tǒng)的兩 端、沿該被測試光學系統(tǒng)光軸設置的平行光管和設有顯微物鏡攝像頭的CCD 像機，設置在平行光管的焦面上的星點目標板及與CCD像機相連接的帶有圖 像采集卡的計算機按以下方式測得被測試光學系統(tǒng)的波相差
被照明光源照亮的星點目標板發(fā)出的光經(jīng)平行光管后成為平行光(模擬 無窮遠距離目標)；被測試光學系統(tǒng)接收此平行光后在其光學系統(tǒng)的像面上形 成星點目標板的圖像；由所述的設有顯微物鏡攝像頭的CCD像機接收此圖像 后，經(jīng)所述帶有圖像采集卡的計算機對圖像進行采集；通過傅里葉變換計算 和迭代算法實現(xiàn)由光學系統(tǒng)的星點圖像獲得波相差的數(shù)學分析與計算，使得 光學系統(tǒng)的波相差復原，從而獲得被測試系統(tǒng)的波相差圖。本發(fā)明是通過采集被測試光學成像系統(tǒng)對點目標所成圖像，基于信息光 學理論和位相復原方法經(jīng)計算分析而獲得光學系統(tǒng)的波相差。本測試方法的 具有以下優(yōu)點
1. 測試成本低。在測試大口徑光學成像系統(tǒng)波相差時，不需要相應口徑 的平面基準鏡，所用設備為相應口徑的平行光管。關鍵部件為口徑與被測試 光學系統(tǒng)口徑匹配的主鏡，其加工與檢測與大口徑的平面鏡相比，在造價和 難度上都大大降低，易于實現(xiàn)；同時一臺相移干涉儀的產(chǎn)品價格(約100萬 元)遠遠高于星點圖象采集分析系統(tǒng)的價格(約30萬元)。
2. 測試效率高。采用本發(fā)明方法測試系統(tǒng)，在測試光學系統(tǒng)波相差的同
時，還可以實現(xiàn)光學系統(tǒng)分辨率、焦距和傳遞函數(shù)等光學系統(tǒng)主要技術指標 的測試。當把平行光管焦面上的點目標板更換為分辨率目標板時可測試光學
系統(tǒng)的分辨率；當把平行光管焦面上的點目標板更換為分劃板時可測試光學 系統(tǒng)的焦距；而用星點目標或狹縫目標時可以測試光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，因 此，大幅度提高檢測效率。
3. 測試波段廣。由于干涉儀所采用的測量原理限制所使用的測試光源波 段只能為某一單波段，以便產(chǎn)生干涉圖；而本發(fā)明測試波段可通過在平行光 管目標板附近加用不同波段的濾光片而實現(xiàn)多波段的選擇，這種功能更能滿 足測評光學成像系統(tǒng)實際使用情況的需要。


圖1是本發(fā)明測試方法的原理示意圖； 圖2是CCD像機采集到的星點(PSF)原始圖片； 圖3是經(jīng)平滑、去噪聲處理后的星點圖片；
圖4是由星點圖經(jīng)過位相復原方法獲得的光學系統(tǒng)波相差圖片；
圖5是由光學系統(tǒng)波相差圖獲得的干涉圖片；
圖6是目前干涉法測試光學系統(tǒng)波相差的原理示意圖
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖給出的實施例對本發(fā)明方法作進一步詳細說明。 對一種光學成像系統(tǒng)波相差的測試方法。
參照圖l，將被測試光學成像系統(tǒng)5放置在一光學穩(wěn)定平臺10上，通過
在被測試光學系統(tǒng)5的兩端、沿該被測試光學系統(tǒng)光軸設置的平行光管4和 設有顯微物鏡攝像頭6的CCD像機7，在平行光管4的焦面上設置一由照明 光源1照亮的星點目標板2，在星點目標板2和平行光管4之間設置一與欲 測試波段相應的濾光片3，通過數(shù)據(jù)信號傳輸線8與CCD像機7相連接的帶 有圖像采集卡的計算機9構(gòu)成的測試系統(tǒng)，按以下方式測得被測試光學系統(tǒng) 5的波相差
被照明光源1照亮的星點目標板2發(fā)出的光經(jīng)濾光片3、平行光管4后 成為平行光(模擬無窮遠距離目標)射出；被測試光學系統(tǒng)5接收此平行光 后在其光學系統(tǒng)的像面上形成星點目標板的圖像；所述的設有顯微物鏡攝像 頭6的CCD像機7接收此圖像后把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)由數(shù)據(jù)信號傳輸 線8把電信號傳輸給帶有圖像采集卡的計算機9，計算機9對原始圖像(如 圖2所示)通過相應的圖像處理得到星點圖像(如圖3所示)；然后經(jīng)過位相 復原計算軟件對該星點圖像的信息進行分析計算，最終給出被測試光學系統(tǒng) 的波相差圖象和數(shù)據(jù)信息(如圖4、圖5所示)。
所述位相復原計算軟件采用公式
光學系統(tǒng)的光瞳函數(shù)與振幅點擴散函數(shù)是傅立葉變換關系， 一般用如下
公式表示
v45F(x,力=JJ P(x',_y')exp[-2;n'(xx +_y_y ......................(1)
其中為振幅點擴散函數(shù)，PC)為光瞳函數(shù)。
而, 乂 ) = , 乂 ) exp[汰『(x' ，;/)]...............................(2)
」(x,力為光瞳函數(shù)的振幅部分，是光瞳形狀函數(shù)，在通光孔徑內(nèi)取l，通光孔徑外為零；^^2W義，r(x,;/)為光學系統(tǒng)的波相差。
而i^F(x,力=力x 力=| AJF(x,力「 ...............(3)
因此，可以根據(jù)已知的/^F(x,力即星點圖和(1)、 (2)、 (3)式采用傅里
葉變換方法和迭代方法實現(xiàn)由尸SF(x,力—AS^(x，力4 P(;c'，力4『(x',;;')的數(shù)
學分析與計算，使得光學系統(tǒng)的波相差W(x',y')復原。
權(quán)利要求
1.一種光學成像系統(tǒng)波相差的測試方法，其特征在于，是通過在被測試光學系統(tǒng)5的兩端、沿該被測試光學系統(tǒng)光軸設置的平行光管4和設有顯微物鏡攝像頭6的CCD像機7，設置在平行光管4的焦面上的星點目標板2及與CCD像機7相連接的帶有圖像采集卡的計算機9按以下方式測得被測試光學系統(tǒng)5的波相差被照明光源1照亮的星點目標板2發(fā)出的光經(jīng)平行光管4后成為平行光；被測試光學系統(tǒng)5接收此平行光后在其光學系統(tǒng)的像面上形成星點目標板的圖像；由所述的設有顯微物鏡攝像頭6的CCD像機7接收此圖像后，經(jīng)所述帶有圖像采集卡的計算機9對圖像進行采集；通過傅里葉變換計算和迭代算法實現(xiàn)由光學系統(tǒng)的星點圖像獲得波相差的數(shù)學分析與計算，使得光學系統(tǒng)的波相差復原，從而獲得被測試系統(tǒng)的波相差圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及對光學成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量進行精確測評的檢測方法，特別是一種光學成像系統(tǒng)波相差的測試方法。被照明光源照亮的星點目標板發(fā)出的光經(jīng)平行光管后成為平行光，被測試光學系統(tǒng)接收此平行光后在其光學系統(tǒng)的像面上形成星點目標板的圖像，由所述的設有顯微物鏡攝像頭的CCD像機接收此圖像后，經(jīng)所述帶有圖像采集卡的計算機對圖像進行采集，通過傅里葉變換計算和迭代算法實現(xiàn)由光學系統(tǒng)的星點圖像獲得波相差的數(shù)學分析與計算，使得光學系統(tǒng)的波相差復原，從而獲得被測試系統(tǒng)的波相差圖。其測試結(jié)果準確性高、所需測試技術條件易于實現(xiàn)、測試成本低。
文檔編號G01J9/00GK101644606SQ20091006735
公開日2010年2月10日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者劉志祥, 聶真威, 陳土泉, 馬冬梅 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所