CN109813531A - 光学系统的调试装置及其调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学系统的调试装置及调试方法，包括：光学平台、位于光学平台上待测的光学系统及探测器阵列；平行光管、位于平行光管上方的目标物、光源；控制平台，与光学平台、探测器阵列连接，并用于控制光学平台与探测器阵列；调节光学平台将无穷远的目标物成像到探测器，所述目标物为亮度均匀分布的直线；将光学系统调到最接近探测器阵列的离焦位置，进行图像采集；逐步移动光学系统远离探测器阵列，通过聚焦位置直到另一侧离焦位置，在每个适当的位置进行图像采集，获得光学系统的一系列图形；对系列图像进行成像能力分析，确定光学系统的最佳成像精度。

Description

光学系统的调试装置及其调试方法

技术领域

本发明涉及光学系统制造技术领域，尤其涉及红外光学成像系统的在光学平台上进行调试的装置及其方法。

背景技术

光学系统的成像及其质量评价是传统光学研究的一个中心问题，即使一个没有像差的完善光学系统，由于系统对光束的限制，对点物所成的像也是一个由系统孔径决定的衍射斑。光学系统对扩展物成像，则是对应于构成物体的所有点的衍射斑的叠加。正是由于光学系统的衍射效应，使理想光学系统所成的像不能完全与物体本身相识。然而对于一个有像差的实际光学系统，还因为像差的存在而影响衍射斑中的能量分布，从而降低光学系统的成像质量。光学系统设计必须考虑像差的校正，但是任何光学系统都不可能将像差校正到零，实际剩余的像差直接关系到成像质量，为此人们提出了多种光学系统质量评价方法，这些评价方法不仅用于光学设计结果的评价，也体现在光学元件加工后像质的最终检测中。

传统的光学系统成像质量评价方法常用的有星点检验法、分辨率法、点列图法、几何像差、波像差和光学传递函数测试方法等。光学传递函数既与像差有关，又与系统衍射有关，同时适用于小像差光学系统和大像差光学系统，所以用它来评价像质是比较客观的。在传统的光学传递函数测试中，经常使用的方法是扫描测量法，其基本原理是被测物镜对一定形状的目标物(狭缝或光栅等)成像，在像面上用不同形式的扫描屏对像进行扫描，由光电探测器接收通过扫描屏的光通量，经转换处理得到光学传递函数。扫描法一般分为光学傅立叶分析法、光电傅立叶分析法和数字傅立叶分析法等。

随着计算机技术及图像分析方法的发展，现在更多的光学传递函数测试系统基于采用被测系统对目标物直接成像，通过采集数字图像，由计算机对数字图像进行分析、处理，得到光学传递函数，由此产生了众多专门针对光学系统传递函数测试的仪器。

如前所述，光学传递函数的常规测试方法是，在光学系统成像面上安装一个可移动的点源探测器，在像面上横向或纵向移到，逐点采集光学系统生成的点扩散函数的图像。通过采集到的点扩散函数计算传递函数。这个采集的方法需要将探测器安放在焦面上，移动精度需要远小于像斑大小，一般需要优于1μm。光学传递函数测试的最大困难在于将探测器准确放置在焦平面上的点目标中心并能垂直与光路移动。由于要对光斑扫描所以测试需要较长时间。探测器横向定位精度也会直接影响测试精度。与上述方法接近的另一方法就是对线扩散函数直接采样，也就是光学系统对无穷远的狭缝成像在焦平面上直接生成线扩散函数，采用单元探测器对狭缝扫描成像。它的优点是不需要寻找点扩散函数中心位置，相对简单一些。

如果采用面元探测器，利用上述方法传递函数测试可以相对简单一些。但是哪个像素点经过了点源中心还是需要仔细调节和辨认。如果不移动面源探测器，也可以直接采集图像获得点扩散函数。但是由于像素点之间间距一般在20-30μm之间，因此点扩散函数的采集精度也只有20-30μm，这个测量精度通常不能准确反应点扩散函数或传递函数。另外，这个测量还必须进行探测器的非均匀性校正，否则计算的点扩散函数误差非常大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学系统的调试装置及调试方法，解决现有技术中测试误差大、精度低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供光学系统的调试方法，包括：

调节光学平台将无穷远的目标物成像到探测器阵列，所述目标物为亮度均匀分布的直线；

将所述光学系统调到最接近探测器阵列的离焦位置，进行图像采集；

逐步移动所述光学系统远离探测器阵列，所述光学系统依次通过聚焦位置至另一侧离焦位置，同步进行图像采集，获得所述目标物的系列图像；

对所述系列图像进行成像能力分析，确定光学系统的最佳成像精度。

可选的，对图像成像进行成像分析的步骤包括：

对所述目标物的图像取反，截取矩形的目标区域；

获取目标物图像的线性拟合函数：y＝kx+b；

将线性拟合函数周围的像素点投影至线性拟合函数，计算投影距离，以灰度值为纵轴，像素点投影距离为横轴，得出数据曲线；

对数据曲线拟合出扩展函数： 确定光学系统的最佳成像精度。

可选的，所述目标物的图像与目标区域的交点位于矩形的竖直两边上。

可选的，截取的目标区域中目标物的长度在100列以上。

可选的，所述扩展函数经傅里叶变换并归一化获取光学系统的调制传递函数。

可选的，扩展函数中A为幅值，m为中心点，σ为标准偏差，a0为常量，用于消除图像中的均匀背景，a1为一阶系数，用于消除图像中的渐变背景。

可选的，将系列图像拟合出线扩展函数或边沿扩展函数进行成像能力分析。

可选的，所述目标物为狭缝、边沿、光栅。

可选的，所述目标物与探测器阵列方向呈一定角度，所述目标物与探测器阵列呈0°～90°。

相应的，本发明的另一方面还提供一种光学系统的调试装置，包括：

光学平台、位于光学平台上待测的光学系统及探测器阵列；

平行光管、位于平行光管上方的目标物、光源；

控制平台，与光学平台、探测器阵列连接，并用于控制光学平台与探测器阵列；

采用上述的调试方法，确定所述光学系统的最佳成像精度。

相对于现有技术，本发明的光学系统的调试装置及调试方法具有以下有益效果：

本发明的调试方法中，所述光学系统依次通过一侧离焦位置、聚焦位置至另一侧离焦位置，同步进行图像采集，获得系列图像，对所述系列图像进行成像能力分析，依次进行线性拟合、曲线拟合，获取最佳的扩展函数，从而确定光学系统的最佳成像精度。本发明的计算方法不需要将光学系统与焦平面距离真正调节到最佳成像位置，只需要最小位置移动精度接近焦深并且所有调焦距离覆盖最佳焦距，就能计算出最佳成像能力，最终误差小。

附图说明

图1为本发明一实施例中光学系统的调试装置的示意图；

图2为本发明一实施例中光学系统的调试装置的流程图；

图3为本发明一实施例中线性拟合的示意图；

图4为本发明一实施例中曲线拟合的示意图；

图5(a)为本发明一实施例中不同角度线扩展函数的拟合结果；

图5(b)为本发明一实施例中不同角度边沿扩展函数的拟合结果；

图6(a)为本发明一实施例中不同狭缝长度线扩展函数的拟合结果；

图6(b)为本发明一实施例中不同边沿长度边沿扩展函数的拟合结果；

图7为本发明一实施例中线性拟合k的调整示意图；

图8(a)为本发明一实施例中σ随k的变化示意图；

图8(a)为本发明一实施例中拟合残差随k的变化示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，以下结合附图对本发明的光学系统的调试装置及调试方法进行详细描述。

参考图1所示，本发明的光学系统的调试装置，包括：

光学平台10，所述光学平台可在Z轴移动；

位于光学平台10上待测的光学系统20及探测器阵列30；

平行光管40、位于平行光管40上方的目标物50、光源6；

控制平台70，控制平台70与光学平台10、探测器阵列20连接，并用于控制光学平台10与探测器阵列20。

参考图2所示，本发明的光学系统的调试方法，包括：

首先，步骤S1，将图1中的整个调试装置安装到位，打开光源60、探测器阵列20、控制平台70，调节光学平台10将无穷远的目标物50成像到探测器阵列20，所述目标物50与探测器阵列30方向呈一定角度，在控制平台70的显示屏上直接看到目标物50的成像。其中，所述目标物50为亮度均匀分布的直线，例如所述目标物50为狭缝、边沿、光栅等。所述目标物的指向与探测器阵列X、Y像元方向呈一定角度，目标物50与探测器阵列30呈0°～90°。

步骤S2，调节光学平台10使得光学系统20能够精确成像，成像水平可由软件现场测算，将光学系统20调到最接近探测器阵列30的位置，此时光学系统20位于探测器阵列最接近的离焦位置，进行图像采集。

步骤S3，控制平台70控制光学系统自动移动，逐步移动光学系统20远离探测器阵列30，使得光学系统20依次通过聚焦位置直到另一侧离焦位置，同步在每个适当的位置进行图像采集，获得光学系统20的一系列图像。

步骤S4，控制平台70获取目标物的系列图像，并自动对系列图像进行成像能力分析，对系列图像进行成像能力分析。本实施例中目标物可以采用狭缝或边沿，可分别拟合得出线扩展函数(LSF)或边沿扩展函数，获取最佳的线扩展函数、边沿扩展函数，或者进行归一化得出调制传递函数，从而确定光学系统20的最佳成像精度。本算法中不需要将光学系统与探测器阵列真正调节到最佳成像位置(聚焦位置)，只需要光学系统的最小位置移动精度接近焦深并且所有调焦距离覆盖最佳焦距，就能计算出最佳成像能力。

具体的，对图像成像进行成像分析的步骤包括如下：

参考图3所示，对获取的目标物的图像取反，截取矩形的目标区域ROI，目标物的图像与目标区域ROI的交点位于矩形左右(竖直)边，若交点落在矩形的上下(水平)边上，可以通过改变矩形框形状或图像旋转90°来计算。

接着，参考图4所示，取目标区域ROI左上角为坐标原点O(0，0)，目标区域ROI坐标与原图坐标可以通过简单的平移变换实现，在目标区域ROI中，从左至右把每一列中灰度值最大点标记出来，对这些点进行线性拟合，得到直线：y＝kl x+bl，即拟合出目标物50的图像直线。

之后，将目标物50周围的像素点投影至直线y，以像素点图像灰度值为纵轴，像素点投影距离为横轴，得出线扩散函数曲线。以P(xi,yi)为例，计算像素点P(xi,yi)到目标物的距离为dp，易知：

当像素点P(xi,yi)在直线上时，dp＝0，当P(xi,yi)位于直线上方时dp>0，当P(xi,yi)位于直线下方时，dp<0，dp的单位为1个像素点宽度。

对扩展函数进行曲线拟合，得到：

其中，A为幅值，m为中心点，与y＝klx+bl有关，当m＝0时，中心点在y＝klx+bl上，σ为标准偏差，a0为常量，用于消除图像中的均匀背景，a1为一阶系数，用于消除图像中的渐变背景。

图5给出了相同σ设定值时，不同角度下模拟图的拟合结果对比，图5(a)、5(b)分别给出了σ＝0.6时，不同角度下线扩展函数、边沿扩展函数的拟合结果，其中选择了0°～45°区间的角度，45°～90°区间的结果理论上和0°～45°区间的是一致的。图中可以看到，0°时因采样不足的问题，使得拟合结果与设定值偏差较大，线扩展函数和边沿扩展函数分别有0.2％和0.4％的偏差，其它角度下最大偏差分别为0.07％和0.17％。可知当σ一定，采样点足够多的话，拟合结果和目标物50与探测器阵列所呈的角度无关。

算法拟合误差主要来自于：截取目标区域中的狭缝或边沿长度l、线性拟合中引入的误差及最后曲线拟合的非线性拟合误差。

图6中给出了当σ＝0.6时，通过改变目标区域ROI截取的范围，获得不同的l，由此得到不同的l对拟合计算的误差，其中l为其在水平方向的投影l’，以列为计数单位。其中图6(a)为狭缝倾角为27.6°时，不同狭缝长度下线扩展函数的拟合结果，图6(b)为边沿倾角为29.3°时，不同狭缝长度下边沿扩展函数的拟合结果，从图中可知，线扩展函数的拟合结果精度比边沿扩展函数的高，拟合误差随着l’的增大而逐渐减小，在l’＝100列以上时，拟合结果都趋于稳定，边沿扩展函数的最大拟合误差也只有0.1％(l’＝30列时)。

对于位置确认中线性拟合的误差，拟合参数斜率k和截距b对后续的非线性曲线拟合有影响。参考图7所示，以狭缝为例，当狭缝位置得到确认时，当l一定时，计算当k在±1％的摆动范围内变化时，σ的拟合值变化情况，由此来确认k对σ的影响。当斜率k为某一最优值时，即拟合直线与狭缝或边沿完全重合或平行时，将得到最佳的σ拟合值；截距b的变化只会影响投影中心的位置，而σ与中心位置无关，因而b变化可以不予考虑。

参考图8所示，采用σ＝0.6时，倾角为27.6°的狭缝进行试验，l’＝100列，初始线性拟合斜率k＝0.5224，调整k的取值在±1％的范围内变动，b不变，图8(a)为σ随k的变化曲线，图8(b)为曲线拟合残差R随k的变化曲线，图中可知σ、R随k都有一个近似二次曲线的变化关系，当k变化1％时，引起的σ最大变化值为2.6％。然而，线性拟合k的误差要远远低于1％，σ、R的变化值大大降低。

综上所述，本发明的调试方法中，所述光学系统依次通过一侧离焦位置、聚焦位置至另一侧离焦位置，同步进行图像采集，获得系列图像，对所述系列图像进行成像能力分析，依次进行线性拟合、曲线拟合，获取最佳的扩展函数，从而确定光学系统的最佳成像精度。本发明的计算方法不需要将光学系统与焦平面距离真正调节到最佳成像位置，只需要最小位置移动精度接近焦深并且所有调焦距离覆盖最佳焦距，就能计算出最佳成像能力，最终误差小。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学系统的调试方法，其特征在于，包括：

调节光学平台将无穷远的目标物成像到探测器阵列，所述目标物为亮度均匀分布的直线；

将所述光学系统调到最接近探测器阵列的离焦位置，进行图像采集；

逐步移动所述光学系统远离探测器阵列，所述光学系统依次通过聚焦位置至另一侧离焦位置，同步进行图像采集，获得所述目标物的系列图像；

对所述系列图像进行成像能力分析，确定光学系统的最佳成像精度。

2.根据权利要求1所述的光学系统的调试方法，其特征在于，对图像成像进行成像分析的步骤包括：

对所述目标物的图像取反，截取矩形的目标区域；

获取目标物图像的线性拟合函数：y＝kx+b；

将线性拟合函数周围的像素点投影至线性拟合函数，计算投影距离，以灰度值为纵轴，像素点投影距离为横轴，得出数据曲线；

对数据曲线拟合出扩展函数： 确定光学系统的最佳成像精度。

3.根据权利要求2所述的光学系统的调试方法，其特征在于，所述目标物的图像与目标区域的交点位于矩形的竖直两边上。

4.根据权利要求2所述的光学系统的调试方法，其特征在于，截取的目标区域中目标物的长度在100列以上。

5.根据权利要求2所述的光学系统的调试方法，其特征在于，所述扩展函数经傅里叶变换并归一化获取光学系统的调制传递函数。

6.根据权利要求2所述的光学系统的调试方法，其特征在于，扩展函数中A为幅值，m为中心点，σ为标准偏差，a0为常量，用于消除图像中的均匀背景，a1为一阶系数，用于消除图像中的渐变背景。

7.根据权利要求1所述的光学系统的调试方法，其特征在于，将系列图像曲线拟合出线扩展函数或边沿扩展函数，进行成像能力分析。

8.根据权利要求1所述的光学系统的调试方法，其特征在于，所述目标物为狭缝、边沿、光栅。

9.根据权利要求1所述的光学系统的调试方法，其特征在于，所述目标物与探测器阵列方向呈一定角度，所述目标物与探测器阵列呈0°～90°。

10.一种光学系统的调试装置，其特征在于，包括：

光学平台、位于光学平台上待测的光学系统及探测器阵列；

平行光管、位于平行光管上方的目标物、光源；

控制平台，与光学平台、探测器阵列连接，并用于控制光学平台与探测器阵列；

采用如权利要求1～9中任意一项所述的调试方法，确定所述光学系统的最佳成像精度。