CN101719178B

CN101719178B - 一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法和装置

Info

Publication number: CN101719178B
Application number: CN2009102373941A
Authority: CN
Inventors: 张晓芳; 俞信; 董冰
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: CN101719178A

Abstract

本发明提供在一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法和装置，该方法包括：建立与光学设计仿真模块之间的数据传输通道；向所述光学设计仿真模块发送孔径描述指令；通过所述数据传输通道，向所述光学设计仿真模块发送所述分块镜位置误差参数和面形误差参数；接收所述光学设计仿真模块通过所述数据传输通道返回的出瞳波前误差，其中所述出瞳波前误差是由所述光学设计仿真模块中的像质分析子单元根据主镜分块镜位置误差参数、面形误差参数以及各个分块镜的模型，并模拟光线经过主镜且历经实际光学系统后进行成像像质分析得到的。本发明提供的复杂光瞳成像分析方法和装置能够分析主镜各分块镜的光瞳形状、主镜各分块镜的位置误差和面形误差对像质的影响。

Description

一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法和装置

技术领域

本发明属于光学设计领域，尤其涉及一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法和装置。

背景技术

在高分辨率空间光学遥感器中，主镜位于入瞳位置并且采用分块方式，主镜的各个分块镜的几何形状可为正六角形、正八角形和环扇形等。主镜的各个分块镜之间存在间隙，次镜及次镜支撑杆对主镜形成遮拦。这些间隙和遮拦使得光瞳形状变得十分复杂，同时主镜的各个分块镜还可能存在六个自由度的平移、倾斜误差及面形误差，这些因素都会对光学系统的成像产生影响。因此有必要分析复杂光瞳对成像的影响并给出定量的结果。

目前对复杂光瞳成像的分析方法主要有两种，一种是解析法，即利用衍射成像理论直接推导出复杂光瞳的点扩散函数的解析表达式；另一种是仿真方法，即通过计算机仿真先将光瞳函数离散化，再利用快速傅里叶变换得到离散化的点扩散函数。

解析法适用于光瞳形状比较规则、光瞳内像差形式比较简单的情况，但当光瞳形状或像差形式比较复杂时难以得到解析解，导致该方法无法适用。

现有的仿真分析方法将成像系统当作“黑箱”处理，即认为波前误差全部来自入瞳，而出瞳是入瞳的理想像，不考虑光学系统自身的误差，直接对离散化的光瞳函数做傅里叶变换计算PSF(点扩散函数)和MTF(调制传递函数)。该方法由于没有考虑光学系统自身的设计误差对分析结果的影响，所以分析结果也存在误差，对于接近衍射极限的成像系统，这一误差通常是可以接受的，但对于像差较大的系统，就必须考虑光学系统自身误差的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法和装置，能够分析光瞳形状、分块主镜的位置误差和面形误差对像质的影响。

为实现上述目的，本发明提供一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法，包括：

建立与光学设计仿真模块之间的数据传输通道；

通过所述数据传输通道，向所述光学设计仿真模块发送孔径描述指令，所述光学设计仿真模块中的非顺序光学追迹组件根据所述孔径描述指令对主镜的各个分块镜进行建模；

通过所述数据传输通道，向所述光学设计仿真模块发送所述分块镜位置误差参数和面形误差参数；

接收所述光学设计仿真模块通过所述数据传输通道返回的出瞳波前误差，其中所述出瞳波前误差是由所述光学设计仿真模块中的像质分析子单元根据主镜分块镜位置误差参数、面形误差参数以及所述非顺序光学追迹组件建立的主镜的各个分块镜的模型，并模拟光线经过主镜且历经实际光学系统后进行成像像质分析得到的。

优选地，所述向光学设计仿真模块发送孔径描述指令具体实现为：

向所述光学设计仿真模块发送指示孔径描述指令文件的信息，以便所述光学设计仿真模块中的非顺序光学追迹组件能够根据所述孔径描述指令文件信息读取所述孔径描述指令文件，所述孔径描述指令文件中存储有用于描述主镜的各个分块镜的光瞳形状的孔径描述指令。

优选地，所述分块镜位置误差参数包括：分块镜在X、Y和Z三个方向上的平移和倾斜误差中的任意组合。

优选地，所述分块镜面形误差参数包括：分块镜的曲率半径误差、二次曲面系数误差和以网格点矢高定义的面形误差中的任意组合。

优选地，所述非顺序光学追迹组件根据所述孔径描述指令对主镜的各个分块镜进行建模包括：

所述非顺序光学追迹组件接收添加的主镜的各个分块镜，所述主镜的面形类型预先设置为非序列组件，所述主镜的前后预先各插入一个虚拟面，并预先设定了所述主镜上非顺序光线追迹的入口和出口位置；

所述非顺序光学追迹组件根据所述孔径描述指令对主镜的各个分块镜进行建模。

另一方面，本发明实施例还提供一种分块式主镜复杂光瞳成像分析的装置，包括：

通道建立单元，用于建立与光学设计仿真模块之间的数据传输通道；

光瞳形状发送单元，用于通过所述数据传输通道，向所述光学设计仿真模块发送孔径描述指令，所述孔径描述指令用于所述光学设计仿真模块中的非顺序光学追迹组件据此对主镜的各个分块镜进行建模；

误差发送单元，用于通过所述数据传输通道，向所述光学设计仿真模块发送分块镜误差参数和面形误差参数；

接收单元，用于接收所述光学设计仿真模块通过所述数据传输通道返回的出瞳波前误差，其中所述出瞳波前误差是由所述光学设计仿真模块中的像质分析子单元根据主镜分块镜位置误差参数、面形误差参数以及所述非顺序光学追迹组件建立的主镜的各个分块镜的模型，并模拟光线经过主镜且历经实际光学系统后进行成像像质分析得到的。

优选地，所述光瞳形状发送单元具体用于向所述光学设计仿真模块发送指示孔径描述指令文件的信息，以便所述光学设计仿真模块中的非顺序光线追迹组件能够根据所述孔径描述指令文件信息读取所述孔径描述指令文件，所述孔径描述指令文件中存储有用于描述主镜的各个分块镜的光瞳形状的孔径描述指令。

通过本发明实施例，能够分析主镜各分块镜的光瞳形状、主镜各分块镜的位置误差和面形误差对像质的影响，具有较高的仿真精度和可信度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的一种分块式主镜复杂光瞳成像分析装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例一提供一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S101：建立与光学设计仿真模块之间的数据传输通道；

本实施例中的光学设计仿真模块用于对分块式进行建模并实现像质分析，在实际中，可以利用已经开发好的仿真软件中的组件实现，例如可以利用Zemax软件实现。本步骤中建立的数据传输通道用于与光学设计仿真模块进行数据交互。

Zemax软件支持两种基本的光线追迹模式，即顺序(Sequential)光线追迹和非顺序(Non-sequential)光线追迹。普通的光学系统都是在顺序光线追迹模式下建立的。在这种模式下光线只能从系统的一个光学表面追迹到下一个表面，并且每个表面只能被追迹一次。当光学系统的主镜包含多个分块镜时，需要对每个分块镜分别进行光线追迹，但它们实际上又位于同一个主镜表面上，这在顺序光线追迹模式中是无法实现的，因此本实施例中需要用非顺序组件(Non-sequential Component)对主镜进行重新建模。

步骤S102：通过上述数据传输通道，向光学设计仿真模块发送孔径描述指令，其中，该孔径描述指令用于描述主镜的各个分块镜的光瞳形状。

其中，该孔径描述指令是遵照非顺序光线追迹组件的规定的，例如该非顺序光线追迹组件中定义了描述圆、圆弧、直线、正多边形等的几何形状的指令，在实际中只需要计算出分块镜的各个定点的坐标，然后基于非顺序光线追迹组件中定义的孔径描述指令，对分块镜的光瞳形状进行描述。光学设计仿真模块中的非顺序光学追迹组件根据上述孔径描述指令可以对主镜的各个分块镜进行建模。其中，非顺序光学追迹组件根据所述孔径描述指令对主镜的各个分块镜进行建模可以采用如下步骤实现：非顺序光学追迹组件接收添加的主镜的各个分块镜，该主镜的面形类型预先设置为非序列组件，主镜的前后预先各插入一个虚拟面，并预先设定了所述主镜上非顺序光线追迹的入口和出口位置；非顺序光学追迹组件根据孔径描述指令对主镜的各个分块镜进行建模。在本实施例中虚拟面是一个用于进一步分析波前的选定面。

在实际中，上述孔径描述指令可以实现存储在一个文件(以下称为孔径描述指令文件)中，然后非顺序光线追迹组件通过读取该孔径描述指令文件即可获取孔径描述指令。基于上述考虑，步骤S102可以具体实现为：向所述光学设计仿真模块发送指示孔径描述指令文件的信息。这样，非顺序光线追迹组件根据接收到的指示孔径描述指令文件的信息，可以定位孔径描述指令文件并进行读取，从而获得该文件中的孔径描述指令，即获得分块镜的光瞳形状的描述。

步骤S103：通过上述数据传输通道，向光学设计仿真模块发送所述分块镜位置误差参数和分块镜面形误差参数。

其中，上述分块镜位置误差参数可以包括：分块镜在X、Y和Z三个方向上的平移和倾斜误差中的任意组合。上述分块镜面形误差参数包括分块镜的曲率半径误差、二次曲面系数误差和以网格点矢高定义的面形误差中的任意组合。

步骤S104：接收光学设计仿真模块通过上述传输通道返回的出瞳波前误差。

在本实施例中，光学设计仿真模块中的像质分析子单元能够实现对复杂光瞳成像像质分析的功能，并且该像质分析子单元能够根据非顺序光学追迹组件建立的主镜的各个分块镜的模型以及接收到的分块镜位置误差参数和面形误差参数，并模拟光线经过主镜且历经实际光学系统后进行像质分析，得到出瞳波前误差，并将分析结果返回给调用方。在本实施例中像质分析子单元在进行分析得出出瞳波前的过程中，模拟了光线经过了实际光学系统，所以考虑了实际光学系统的自身误差，仿真结果的逼真度和可信度更高。实际光学系统的自身误差可以包括：系统设计误差、系统除主镜外，如次镜、三镜的装调误差等。

以下以像质分析子单元利用Zemax软件实现为例详细说明本实施例提供的方法的具体实现。

以调用方为Matlab软件为例。Matlab和Zemax之间可以通过动态数据交换(Dynamic Data Exchange，DDE)技术进行实时的数据交互。动态数据交换(DDE)是允许各种Windows应用程序间交换数据的通信机制。应用程序可以借助DDE对话实现彼此间的通信。请求建立对话的应用程序称为客户(Client)，而响应对话请求的应用程序称为服务器(Server)。Matlab作为Windows平台上的应用程序，也具有借助DDE与其他应用程序通信的功能。在Matlab和Zemax的DDE通信中，Zemax通常是作为Server，而Matlab作为Client。Zemax中定义了大量代表某种操作的数据项(data item)，通过这些数据项可以修改和获取光学系统的各种参数。

为了实现复杂光瞳分析，首先建立Matlab与Zemax的组件之间的数据传输通道。具体可以利用Matlab中的如下语句：Channel＝ddeinit(′ZEMAX′，′DDEWithZemax′)。利用ddereq函数，Matlab可以向Zemax发送指令，执行Item定义的操作，语句的通式为Reply＝ddereq(Channel，Item)。

Zemax软件中定义了一批用于描述光瞳形状的孔径描述指令，例如CIR指令用于描述圆，ARC指令用于描述圆弧，LIN指令用于描述正多边形等。所以只需要根据主镜的光瞳参数计算出分块镜各个顶点的坐标，然后利用Zemax定义的孔径描述指令就可以描述分块镜的光瞳形状。然后将分块境的孔径描述指令写入Zemax支持的uda文件中。可以通过如下语句实现向非顺序组件发送指示孔径描述指令文件的信息：

SetUDA＝ddereq(Channel，strcat(′SetAperture，2，8，0，0，0，0，′，UDAFileName.EdgeMirr1))

Zemax软件中的非顺序组件通过读取孔径描述指令文件中的孔径描述指令，对主镜的分块镜进行建模。

向Zemax发送分块镜位置误差参数可以通过如下语句实现：

SetTiltX＝ddereq(Channel，[′SetNSCPosition，2，2，4，′，num2str(PosErr.PM.tiltX)])

向Zemax中的非顺序组件发送分块镜面形误差参数可以通过如下语句实现：

SetSurfErr＝ddereq(Channel，′SetNSCObjectData，2，2，1，PMEdgeNSC.GRD′)

Zemax中的像质分析子单元基于上述参数进行仿真像质分析，通过如下语句可以获得分析结果：

Reply＝ddereq(Channel，strcat(′GetTextFile，′，WFMPath，′，Wfm，，0′)，[11])

在实际中还可以利用Matlab开发图像用户界面，对光瞳参数的设置和像质分析进行即时显示。

本实施例提供的复杂光瞳成像分析方法，能够分析主镜各分块镜的光瞳形状、主镜各分块镜的位置误差和面形误差对像质的影响。

实施例二

本发明实施例二相应提供一种分块式主镜复杂光瞳成像分析的装置，如图2所示，该装置包括：通道建立单元201、光瞳形状发送单元202、误差发送单元203和接收单元204。

其中通道建立单元201用于建立与光学设计仿真模块之间的数据传输通道。光瞳形状发送单元202用于通过所述数据传输通道，向所述光学设计仿真模块发送孔径描述指令，所述孔径描述指令用于描述主镜的各个分块镜的光瞳形状，光学设计仿真模块中的非顺序光学追迹组件能够根据上述孔径描述指令对主镜的各个分块镜进行建模。误差发送单元203用于通过据传输通道，向所述光学设计仿真模块发送分块镜误差参数和面形误差参数。接收单元204用于接收所述光学设计仿真模块通过所述数据传输通道返回的出瞳波前误差，其中所述波前出瞳误差是由光学设计仿真模块中的像质分析子单元根据实际光学系统的误差、所述分块镜位置误差参数、面形误差参数以及所述非顺序光学追迹组件建立的主镜的各个分块镜的模型进行成像像质分析得到的。

其中，光瞳形状发送单元202可以向光学设计仿真模块发送指示孔径描述指令文件的信息，光学设计仿真模块中的非顺序光线追迹组件根据该孔径描述指令文件信息读取所述孔径描述指令文件，孔径描述指令文件中存储有用于描述主镜的各个分块镜的光瞳形状的孔径描述指令。

上述分块镜位置误差参数可以包括：分块镜在X、Y和Z三个方向上的平移和倾斜误差中的任意组合。上述分块镜面形误差参数可以包括：分块镜的曲率半径误差、二次曲面系数误差和以网格点矢高定义的面形误差中的任意组合。

通过本实施例提供的复杂光瞳成像分析装置，能够分析主镜各分块镜的光瞳形状、主镜各分块镜的位置误差和面形误差对像质的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种分块式主镜复杂光瞳成像分析方法，其特征在于，包括：

建立与光学设计仿真模块之间的数据传输通道；

接收所述光学设计仿真模块通过所述数据传输通道返回的出瞳波前误差，其中所述出瞳波前误差是由所述光学设计仿真模块中的像质分析子单元根据主镜分块镜位置误差参数、面形误差参数以及所述非顺序光学追迹组件建立的主镜的各个分块镜的模型，并模拟光线经过主镜且历经实际光学系统后进行成像像质分析得到的；

所述向光学设计仿真模块发送孔径描述指令具体实现为：

向所述光学设计仿真模块发送指示孔径描述指令文件的信息，以便所述光学设计仿真模块中的非顺序光学追迹组件能够根据所述孔径描述指令文件信息读取所述孔径描述指令文件，所述孔径描述指令文件中存储有用于描述主镜的各个分块镜的光瞳形状的孔径描述指令；

所述非顺序光学追迹组件根据所述孔径描述指令对主镜的各个分块镜进行建模包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分块镜位置误差参数包括：分块镜在X、Y和Z三个方向上的平移和倾斜误差中的任意组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分块镜面形误差参数包括：分块镜的曲率半径误差、二次曲面系数误差和以网格点矢高定义的面形误差中的任意组合。

4.一种分块式主镜复杂光瞳成像分析的装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收所述光学设计仿真模块通过所述数据传输通道返回的出瞳波前误差，其中所述出瞳波前误差是由所述光学设计仿真模块中的像质分析子单元根据主镜分块镜位置误差参数、面形误差参数以及所述非顺序光学追迹组件建立的主镜的各个分块镜的模型，并模拟光线经过主镜且历经实际光学系统后进行成像像质分析得到的；

所述光瞳形状发送单元具体用于向所述光学设计仿真模块发送指示孔径描述指令文件的信息，以便所述光学设计仿真模块中的非顺序光线追迹组件能够根据所述孔径描述指令文件信息读取所述孔径描述指令文件，所述孔径描述指令文件中存储有用于描述主镜的各个分块镜的光瞳形状的孔径描述指令；

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述分块镜位置误差参数包括：分块镜在X、Y和Z三个方向上的平移和倾斜误差中的任意组合。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述分块镜面形误差参数包括：分块镜的曲率半径误差、二次曲面系数误差和以网格点矢高定义的面形误差中的任意组合。