專利名稱：光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過單焦面采集星點(diǎn)圖像對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前高精度測(cè)試的方法。
背景技術(shù)：
早在上個(gè)世紀(jì)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家就已開始了位相復(fù)原技術(shù)的研究，通過位相復(fù)原技術(shù)獲得光學(xué)系統(tǒng)波像差的方法已經(jīng)應(yīng)用在大型空間望遠(yuǎn)鏡的在軌調(diào)試中。國(guó)內(nèi)對(duì)利用相位復(fù)原的方法進(jìn)行波前檢測(cè)目前也在積極地展開研究。這種方法是通過采集和分析焦面處的星點(diǎn)圖像，采用相位復(fù)原算法得到系統(tǒng)的出瞳波前。這些算法中，通過估算光學(xué)系統(tǒng)的出瞳振幅分布，采用快速傅里葉變換的方法計(jì)算點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)。由于出瞳振幅分布與實(shí)際分布情況的差異，這種計(jì)算會(huì)引入誤差，而且采用快速傅里葉變換的方法也會(huì)引入高頻誤差。 一些方法需要通過多焦面采集星點(diǎn)圖像來避免計(jì)算結(jié)果的多解性，不僅操作復(fù)雜，而且圖像采集過程中的振動(dòng)也會(huì)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有相位恢復(fù)算法中出瞳振幅分布不均勻和快速傅里葉變換引入計(jì)算誤差的問題，并且為消除多焦面圖像采集過程中振動(dòng)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生的影響提供解決方案，提供一種光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法。光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、搭建光學(xué)成像系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)；步驟二、采用步驟一所述的檢測(cè)平臺(tái)中的探測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)鏡頭的焦面位置，所述探測(cè)裝置獲得待測(cè)鏡頭的離焦星點(diǎn)圖像；步驟三、根據(jù)步驟二獲得的離焦星點(diǎn)圖像選取有效數(shù)據(jù)，計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)；所述計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)采用澤尼克多項(xiàng)式、擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式和廣義逆矩陣計(jì)算；具體為采用澤尼克多項(xiàng)式乘以澤尼克系數(shù)的方式，光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)采用擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式矩陣乘以澤尼克系數(shù)矩陣的方式，采用廣義逆矩陣方式獲得澤尼克系數(shù)，澤尼克多項(xiàng)式乘以所述的澤尼克系數(shù)，獲得光瞳函數(shù)；對(duì)獲得的光瞳函數(shù)提取相位，獲得光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)波前。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明包括搭建檢測(cè)平臺(tái)和采用澤尼克多項(xiàng)式、擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式和逆矩陣計(jì)算光瞳函數(shù)，其特征在于檢測(cè)平臺(tái)搭建好后，尋找待測(cè)鏡頭的焦面位置，采集星點(diǎn)圖像并獲得與焦面位置的距離，對(duì)采集圖像選取有效數(shù)據(jù)，采用澤尼克多項(xiàng)式、擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式和逆矩陣計(jì)算光瞳函數(shù)，對(duì)獲得的光瞳函數(shù)提取相位，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)波前。計(jì)算出瞳函數(shù)需要精確地知道CCD像元尺寸、待測(cè)鏡頭的數(shù)值孔徑、顯微物鏡和適配器組成系統(tǒng)的放大率。本發(fā)明的具體計(jì)算過程為將出瞳函數(shù)表示成澤尼克多項(xiàng)式乘以復(fù)數(shù)系數(shù)的線性組合，利用擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式(Extended Nijboer-krnike)，對(duì)離焦圖像進(jìn)行分析，計(jì)算澤尼克多項(xiàng)式的復(fù)數(shù)系數(shù)，從而得到出瞳函數(shù)，即出瞳處的相位和振幅分布。本發(fā)明的有益效果解決原有相位恢復(fù)算法中出瞳振幅分布不均勻和快速傅里葉變換引入計(jì)算誤差的問題，同時(shí)避免多焦面采集星點(diǎn)圖像引入振動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的高精度測(cè)試。該方法測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境的要求低。


圖1為本發(fā)明所述光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法的裝置示意圖，圖2為本發(fā)明所述光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法的流程中1、單色光源，2、小孔板，3、平行光管，4、待測(cè)鏡頭，5、顯微物鏡，6、適配鏡頭， 7、傳感器CXD ；8、精密導(dǎo)軌；9、計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、搭建光學(xué)成像系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)；步驟二、采用步驟一所述的檢測(cè)平臺(tái)中的探測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)鏡頭4的焦面位置， 所述探測(cè)裝置獲得待測(cè)鏡頭4的離焦星點(diǎn)圖像；步驟三、根據(jù)步驟二獲得的離焦星點(diǎn)圖像選取有效數(shù)據(jù)，計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)；所述計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)采用澤尼克多項(xiàng)式、擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式和廣義逆矩陣計(jì)算；具體為采用澤尼克多項(xiàng)式乘以澤尼克系數(shù)的方式，光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)采用擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式矩陣乘以澤尼克系數(shù)矩陣的方式，采用廣義逆矩陣方式獲得澤尼克系數(shù)，澤尼克多項(xiàng)式乘以所述的澤尼克系數(shù)，獲得光瞳函數(shù)；對(duì)獲得的光瞳函數(shù)提取相位，獲得光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)波前。在成像系統(tǒng)中，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與光瞳函數(shù)的關(guān)系可以表示為
權(quán)利要求
1.光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，其特征是，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、搭建光學(xué)成像系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)；步驟二、采用步驟一所述的檢測(cè)平臺(tái)中的探測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)鏡頭的焦面位置，所述探測(cè)裝置獲得待測(cè)鏡頭的離焦星點(diǎn)圖像；步驟三、根據(jù)步驟二獲得的離焦星點(diǎn)圖像選取有效數(shù)據(jù)，計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)；所述計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)采用澤尼克多項(xiàng)式、擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式和廣義逆矩陣計(jì)算；具體為采用澤尼克多項(xiàng)式乘以澤尼克系數(shù)的方式，光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)采用擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式矩陣乘以澤尼克系數(shù)矩陣的方式，采用廣義逆矩陣方式獲得澤尼克系數(shù)，澤尼克多項(xiàng)式乘以所述的澤尼克系數(shù)，獲得光瞳函數(shù)；對(duì)獲得的光瞳函數(shù)提取相位，獲得光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)波前。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，其特征在于，步驟一所述檢測(cè)平臺(tái)還包括單色光源(1)、小孔板( 、平行光管C3)、精密導(dǎo)軌(8)和計(jì)算機(jī)(9)，所述單色光源(1)入射至小孔板( 形成點(diǎn)光源，所述點(diǎn)光源經(jīng)過平行光管(3) 入射至待測(cè)鏡頭(4)后產(chǎn)生離焦星點(diǎn)圖像，所述探測(cè)裝置采集離焦星點(diǎn)圖像；探測(cè)裝置安裝在帶步進(jìn)電機(jī)的精密導(dǎo)軌(8)上，所述精密導(dǎo)軌(8)與計(jì)算機(jī)(9)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，其特征在于，所述小孔板⑵小孔的直徑小于0.5 λ/NA，其中NA是由平行光管(3)和待測(cè)鏡頭⑷ 組成系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑，λ為單色光源(1)的中心波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，其特征在于，所述待測(cè)鏡頭(4)的口徑小于平行光管(3)的口徑，待測(cè)鏡頭(4)的數(shù)值孔徑小于0.6。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，其特征在于，所述顯微物鏡(5)、適配器(6)和傳感器CCD (7)組成的探測(cè)裝置的光學(xué)放大倍率高于 100 倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，其特征在于，所述探測(cè)裝置由顯微物鏡(5)、適配鏡頭(6)和傳感器CCD(7)組成，所述顯微物鏡(5)、 適配鏡頭(6)和傳感器CCD(7)在同一光軸上；帶步進(jìn)電機(jī)軸向移動(dòng)的精密導(dǎo)軌⑶的移動(dòng)分辨率高于0. lum。
全文摘要
光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波前的單焦面高精度測(cè)試方法，涉及一種光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，它解決現(xiàn)有相位恢復(fù)算法中出瞳振幅分布不均勻和快速傅里葉變換引入計(jì)算誤差的問題，并且為消除圖像采集過程中振動(dòng)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生的影響提供解決方案，其方法搭建光學(xué)成像系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)；采用檢測(cè)平臺(tái)中的探測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)鏡頭的焦面位置，探測(cè)裝置獲得待測(cè)鏡頭的離焦星點(diǎn)圖像；根據(jù)獲得的離焦星點(diǎn)圖像選取有效數(shù)據(jù)，計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)；對(duì)獲得的光瞳函數(shù)提取相位，獲得光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)波前。所述計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)采用澤尼克多項(xiàng)式、擴(kuò)展奈波爾澤尼克多項(xiàng)式和廣義逆矩陣計(jì)算。本發(fā)明低成本、精度高，適合于光學(xué)成像系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)、科研和檢測(cè)單位使用。
文檔編號(hào)G01J9/00GK102252763SQ201110095518
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者劉金國(guó), 聶真威, 邵晶, 郭永飛, 馬冬梅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所