CN102053010A - 一种光学系统弥散斑和色偏差测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学系统弥散斑和色偏差的测试装置及其方法，该装置包括单色仪、目标靶轮、平行光管、转台、CCD显微测量单元以及采集与控制计算机；单色仪、目标靶轮、平行光管以及CCD显微测量单元依次位于同一光轴上；转台用于设置被测光学系统和CCD显微测量单元；转台、单色仪和CCD显微测量单元都和采集与控制计算机连接。本发明能够有效的测试各种光学系统在不同波长范围下的弥散斑直径和色偏差，很好的保证了光学系统的成像质量。

Description

一种光学系统弥散斑和色偏差测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光学系统弥散斑和色偏差的测试装置及其方法。

背景技术

CCD星敏感器属于高精度光学敏感器，是以恒星作为测量基准的姿态敏感器，主要给航天器的飞行姿态及位置提供准确的信息。其基本原理是通过光学系统将瞬间视场中的若干恒星成象于CCD光敏面上，经过图像处理与星表进行拟合，完成对视场内恒星的识别，进而可以确定当前时刻敏感器光轴在惯性坐标系下的指向。姿态测量是通过恒星间角距的测量来实现的，而星象中心计算精度直接影响角距的测量，由此可见星象的质量在姿态测量中的重要性，因此说光学系统的优劣不仅直接影响星敏感器的测量精度，而且关系到整个星敏感器能否正常工作。普通光学系统都要求在象面上的点扩散直径越小越好，而星敏感器光学系统在象质上要求与一般光学系统不同，为了正确识别出星体和判断卫星的准确位置，它要求全视场范围内星体重心定位精度高，即在象面上点扩散圆的直径分布在一个特定的范围，同时在光谱范围内重心偏差值也要小，因此光学系统必须要校正的是由于像点能量扩散不对称而引起的像差，即造成像点中心偏移和几何失对称的畸变和彗差(随视场不同而变化)。一般情况下，光学系统设计时已经将此象差校正到相当小数量级，但是经过加工、装配以及材料本身的影响，实际上的光学系统象差结果与设计值有很大的出入，这就需要对光学系统不同视场、不同波长的弥散斑直径和色偏差进行定量的测量，判定其是否满足所需的象质要求。对于星敏感器这样一个要达到角秒级测量精度的敏感器来说，光学系统带来的误差，要占其总误差中相当大部分，从而限制了敏感器精度的进一步提高，随着卫星姿态控制要求的日益提高，对星敏感器的精度要求必将更高，而且其工作波段已由可见光逐渐向紫外及近红外波段发展，因此传统专业人员通过眼睛目视观察测量星敏感器光学系统性能已远远不能满足要求。

传统的光学系统弥散斑测试原理参见图1，将被测光学系统104固定在光具座转台103上，光源100前加滤光片101，照亮平行光管102焦面上的星点，利用光具座的平行光管102形成无穷远目标，以人眼为接收器，在被测光学系统像面处采用读数显微镜105观察弥散斑形状并测量弥散斑直径。该方法存在以下缺点：

1测量精度低。由于利用人眼进行观测，人眼看到的只是几何形状的分布，而不是能量的分布，并不能真实的反映被测光学系统的弥散斑分布情况，同时由于个体之间的差异导致瞄准误差大，弥散斑尺寸测试精度在10μm左右，只能大致判定色偏差值的范围，不能精确测得色偏差值。

2、安装调试工作复杂，测试效率低。由于光具座使用的是卤钨灯光源，若想得到单色波长的弥散斑必须在光源前加干涉滤光片，这样使得接收到的能量大大降低，并且由于不同滤光片的透过率不同，导致能量不均匀，满足测量需要的最佳像面不容易找到，调整过程费时费力；

3、受人眼视见函数限制，被测光学系统的光谱范围只能限制在可见光范围内。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种利用CCD显微测量单元自动测量光学系统弥散斑和色偏差的装置，并提出了光学系统弥散斑和色偏差判读的算法，并且此装置能够有效的测试各种光学系统在不同波长范围下的弥散斑直径和色偏差，很好的保证了光学系统的成像质量。

本发明的技术解决方案是：一种光学系统弥散斑和色偏差的测试装置，该装置包括单色仪、目标靶轮、平行光管、转台、CCD显微测量单元以及采集与控制计算机；所述单色仪、目标靶轮、平行光管以及CCD显微测量单元依次位于同一光轴上；所述转台用于设置被测光学系统和CCD显微测量单元；所述转台、单色仪和CCD显微测量单元都和采集与控制计算机连接。

上述CCD显微测量单元由显微物镜、CCD探测器，二维位移台以及控制器组成；显微物镜与CCD探测器通过镜筒连接设置在二维位移台上；二维位移台连接于控制器。

上述测试装置还包括目标控制器，所述目标控制器连接目标靶轮和采集与控制计算机。

上述测试装置还包括移动控制箱，所述移动控制箱分别与CCD显微测量单元和转台连接。

上述平行光管是全反射式，所述转台是电动控制的数显转台，所述转台上设置有导轨。

一种基于上述敏感器光学系统弥散斑和色偏差测试装置的测试方法，该方法包括以下步骤：

(1)利用标准网格板，标定CCD显微测量单元实际一个像元代表的尺寸；

(2)将目标靶轮安置在平行光管的焦面位置，并将被测光学系统固定在转台上，通过工装保证被测光学系统主面与转台回转中心重合，调整使其光轴与平行光管光轴同轴；

(3)根据被测光学系统和平行光管的相关参数计算出进行测量所需星点的大小，计算公式如下：

$d<\frac{1.22\mathrm{\&lambda;}}{D}f$

式中λ为测试波长，单位μm；D为被测光学系统入瞳，单位mm；f为平行光管焦距，单位mm；

(4)通过采集与控制计算机控制目标靶轮，将符合步骤(3)中进行测量所需的星点目标调至平行光管焦面；

(5)采集与控制计算机控制单色仪，将位于平行光管焦面的星点目标照亮，通过平行光管形成无穷远目标；

(6)采集与控制计算机控制CCD显微测量单元轴向和横向移动，在被测光学系统的像方找到一个最佳的像面位置，该最佳的像面位置是使得不同视场、不同波长的弥散斑直径均在要求范围内的像面位置；

(7)采集与控制计算机控制单色仪发出不同波长(波长在被测光学系统的光谱范围内)的单色光，在步骤6)所述的最佳像面位置采集图像；

(8)控制转台和CCD显微测量单元运动，分别在被测光学系统的不同视场重复步骤(7)；

(9)通过图像处理软件判读弥散斑的尺寸和色偏差位置，存储测量数据。

上述步骤(9)中图像处理由图像读取、本底去除、弥散斑处理合成图、点像衍射能量分布曲线四部分组成：将图像读取，并进行自适应本底扣除，再经设定的能量比例，找出l所包含的区域，并将其叠于原图上，形成弥散斑处理合成图，点像衍射能量分布曲线是以能量中心点为中心，以像元步长为变量，以区域能量集中度为函数，获取点像衍射能量分布曲线。

上述步骤(9)中存储测量数据是将弥散斑处理合成图、点像衍射能量分布曲线图及弥散斑直径存储。

上述步骤(6)中是经过反复调节，在光学系统焦面附近离焦后找到一个最佳的像面位置，该最佳的像面位置是在全视场范围内，不同波长下的弥散斑直径均满足指标要求的像面位置。

本发明的优点是：

1、测量精度高。CCD显微测量单元的光学系统，采用平场复消色差设计，具有优异的成像质量和较高的放大倍率，目标像经过显微物镜放大后在CCD靶面成像，图像处理软件配合相应的算法，使弥散斑测量精度可以达到0.5μm，色偏差测量精度可以达到0.3μm。

2、编制高精度的图像判读软件：弥散斑判读方法采用图像预处理合成技术，将采集的图像预先自适应背景处理，按照瑞利判据的能量分布要求提取目标理想能量分布，并按照具体弥散斑包含的能量范围要求确定其理论弥散斑尺寸，以此为半径在图像上画圆，并将此图像再与原图合成(合成时必须使两幅图中弥散斑的中心重合)形成弥散斑能量合成图，按照合成图弥散斑半径，进行实际图像弥散斑直径的测量处理，得到要求的弥散斑直径。由于CCD探测器测量得到的图像弥散斑大小是以CCD探测器像元尺寸为衡量单位，此算法中为了提高测量精度，图像处理中对像元采取了亚像元细分技术。

3、测试自动化程度、效率高。传统方法中靠人眼进行瞄准，不仅瞄准精度低，而且较为费时费力，一个测回最少需要3名人员用时2-3小时。新方法中，用CCD显微测量单元代替了人眼，可实时方便的进行调整，大大提高了测量效率，一个测回最多需要2名人员用时30分钟。

4、光谱测量范围宽。本发明可以真实地测量出被测光学系统弥散斑能量分布情况，采用CCD作为接收器，满足光学系统实际应用的需要，可以实现全谱段测量。

5、数据处理方便快捷。编制了自动化程度高的调试及测试分析处理软件，测试过程中产生的有效数据都能实时处理和存储在计算机中，同时也保存了原始图像，便于后续的处理和分析。

6、实时性好、扩展功能强。本发明结构简单，方便多人同时观测全部测试过程，不仅可以对光学系统的弥散斑、色偏差进行高精度测试，而且可以对被测光学系统的焦距、畸变、成像质量等进行实时测量。

附图说明

图1是现有技术的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图。

具体实施方式

参见图2，本发明提供的敏感器光学系统弥散斑和色偏差测试装置，包括单色仪1、目标靶轮2、目标控制器3、平行光管4、被测光学系统5、二维CCD显微测量单元6、数显转台7、控制器8、采集与控制计算机9、减震平台10；单色仪1的光谱范围要求能够覆盖被测光学系统的光谱范围；单色仪1通过计算机控制，将目标单元照亮；目标靶轮2和目标控制器3组成一目标单元，，目标靶轮2是在一个圆盘上同时装有多个目标板，由目标控制器3控制其转动，主要用于提供不同大小的星点目标；目标靶轮2连接于目标控制器3，目标控制器3与采集与控制计算机9连接；平行光管4为全反射式，可以提供理想的无穷远目标；数显转台7是电动控制的，并且转台上设置有导轨，二维CCD显微测量单元6可以在导轨上运动；数显转台7连接于采集与控制计算机9，可以进行实时显示，用于提供被测光学系统不同视场的位置角度；二维CCD显微测量单元6由不同显微物镜、CCD探测器、二维位移台及控制器8组成，显微物镜与CCD探测器通过镜筒连接设置在二维位移台上；二维位移台连接于控制器8；显微物镜用具有高成像质量、不同放大倍率的显微物镜，CCD探测器是宽光谱响应范围且响应线性度好的；二维位移台要具有良好的运动直线性、垂直度；二维CCD显微测量单元主要用于测量被测光学系统不同视场星点弥散斑的大小和色偏差的位置。可以控制目标移动的现有控制器都可以作为本发明中的目标控制器3；二维CCD显微测量单元6中的二维位移台和控制器8可以是现有的可以实现二维移动的结构和控制二维移动的控制器8。

本发明提供的敏感器光学系统弥散斑和色偏差测试装置的测试方法包括以下步骤：

(1)利用标准网格板，标定CCD显微测量单元实际一个像元代表的尺寸；

(2)将目标靶轮精确安置在平行光管的焦面位置，并将被测光学系统固定在转台上，通过工装保证被测光学系统主面与转台回转中心重合，调整使其光轴与平行光管光轴同轴；

(3)根据被测光学系统和平行光管的相关参数计算出进行测量所需星点的大小，计算公式如下：

$d<\frac{1.22\mathrm{\&lambda;}}{D}f$

式中λ为测试波长，单位μm；D为被测光学系统入瞳，单位mm；f为平行光管焦距，单位mm；

(4)通过采集与控制计算机控制目标靶轮，将符合步骤(3)中进行测量所需的星点目标调至平行光管焦面；

(5)采集与控制计算机控制单色仪，将位于平行光管焦面的星点目标照亮，通过平行光管形成无穷远目标；

(6)采集与控制计算机控制CCD显微测量单元轴向和横向移动，在被测光学系统的像方找到一个最佳的像面位置，该最佳的像面位置是使得不同视场、不同波长的弥散斑直径均在要求范围内的像面位置；

(7)采集与控制计算机控制单色仪发出不同波长(波长在被测光学系统的光谱范围内)的单色光，在步骤6)所述的最佳像面位置采集图像；

(8)控制转台和CCD显微测量单元运动，分别在被测光学系统的不同视场重复步骤(7)；

(9)通过图像处理软件判读弥散斑的尺寸和色偏差位置，存储测量数据。

上述步骤(9)中图像处理由图像读取、本底去除、弥散斑处理合成图、点像衍射能量分布曲线四部分组成：将图像读取，并进行自适应本底扣除，再经设定的能量比例，找出l所包含的区域，并将其叠于原图上，形成弥散斑处理合成图，点像衍射能量分布曲线是以能量中心点为中心，以像元步长为变量，以区域能量集中度为函数，获取点像衍射能量分布曲线。

上述步骤(9)中存储测量数据是将弥散斑处理合成图、点像衍射能量分布曲线图及弥散斑直径存储。上述步骤(6)中是经过反复调节，在光学系统焦面附近离焦后找到一个最佳的像面位置，该最佳的像面位置是在全视场范围内，不同波长下的弥散斑直径均满足指标要求的像面位置。

本发明提供的敏感器光学系统弥散斑和色偏差测试装置，目标像经过显微物镜放大后在CCD靶面成像，图像处理软件配合相应的算法，使弥散斑测量精度可以达到0.5μm，色偏差测量精度可以达到0.3μm。弥散斑判读方法采用图像预处理合成技术，将采集的图像预先自适应背景处理，按照瑞利判据的能量分布要求提取目标理想能量分布，并按照具体弥散斑包含的能量范围要求确定其理论弥散斑尺寸，以此为半径在图像上画圆，并将此图像再与原图合成(合成时必须使两幅图中弥散斑的中心重合)形成弥散斑能量合成图，按照合成图弥散斑半径，进行实际图像弥散斑直径的测量处理，得到要求的弥散斑直径。由于CCD探测器测量得到的图像弥散斑大小是以CCD探测器像元尺寸为衡量单位，此算法中为了提高测量精度，图像处理中对像元采取了亚像元细分技术。用CCD显微测量单元代替人眼，可实时方便的进行调整，并可多人同时观测，一个测回最多需要2名人员用时30分钟大大提高了测量效率。本发明可以真实底册量出被测光学系统弥散斑能量分布情况，采用CCD作为接收器，满足光学系统实际应用的需要，可以实现全谱段测量；另外，编制了自动化程度高的调试及测试分析处理软件，测试过程中产生的有效数据都能实时处理和存储在计算机中，同时也保存了原始图像，便于后续的处理和分析。

Claims (9)

1.一种光学系统弥散斑和色偏差的测试装置，其特征在于：该装置包括单色仪、目标靶轮、平行光管、转台、CCD显微测量单元以及采集与控制计算机；所述单色仪、目标靶轮、平行光管以及CCD显微测量单元依次位于同一光轴上；所述转台用于设置被测光学系统和CCD显微测量单元；所述转台、单色仪和CCD显微测量单元都和采集与控制计算机连接。

2.根据权利要求1所述的光学系统弥散斑和色偏差的测试装置，其特征在于：所述CCD显微测量单元由显微物镜、CCD探测器，二维位移台以及控制器组成；显微物镜与CCD探测器通过镜筒连接设置在二维位移台上；二维位移台连接于控制器。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统弥散斑和色偏差的测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括目标控制器，所述目标控制器连接目标靶轮和采集与控制计算机。

4.根据权利要求1或2所述的光学系统弥散斑和色偏差的测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括移动控制箱，所述移动控制箱分别与CCD显微测量单元和转台连接。

5.根据权利要求1所述的光学系统弥散斑和色偏差的测试装置，其特征在于：所述平行光管是全反射式，所述转台是电动控制的数显转台，所述转台上设置有导轨。

6.一种光学系统弥散斑和色偏差测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)利用标准网格板，标定CCD显微测量单元实际一个像元代表的尺寸；

(2)将目标靶轮安置在平行光管的焦面位置，并将被测光学系统固定在转台上，通过工装保证被测光学系统主面与转台回转中心重合，调整使其光轴与平行光管光轴同轴；

(3)根据被测光学系统和平行光管的相关参数计算出进行测量所需星点的大小，计算公式如下：

$d<\frac{1.22\mathrm{\&lambda;}}{D}f$

式中λ为测试波长，单位μm；D为被测光学系统入瞳，单位mm；f为平行光管焦距，单位mm；

(4)通过采集与控制计算机控制目标靶轮，将符合步骤(3)中进行测量所需的星点目标调至平行光管焦面；

(5)采集与控制计算机控制单色仪，将位于平行光管焦面的星点目标照亮，通过平行光管形成无穷远目标；

(6)采集与控制计算机控制CCD显微测量单元轴向和横向移动，在被测光学系统的像方找到一个最佳的像面位置，该最佳的像面位置是使得不同视场、不同波长的弥散斑直径均在要求范围内的像面位置；

(7)采集与控制计算机控制单色仪发出不同波长(波长在被测光学系统的光谱范围内)的单色光，在步骤6)所述的最佳像面位置采集图像；

(8)控制转台和CCD显微测量单元运动，分别在被测光学系统的不同视场重复步骤(7)；

(9)通过图像处理软件判读弥散斑的尺寸和色偏差位置，存储测量数据。

7.根据权利要求6所述的光学系统弥散斑和色偏差测试方法，其特征在于：所述步骤(9)中图像处理由图像读取、本底去除、弥散圆处理合成图、点像衍射能量分布曲线四部分组成：将图像读取，并进行自适应本底扣除，再经设定的能量比例，找出l所包含的区域，并将其叠于原图上，形成弥散圆处理合成图，点像衍射能量分布曲线是以能量中心点为中心，以像元步长为变量，以区域能量集中度为函数，获取点像衍射能量分布曲线。

8.根据权利要求7所述的光学系统弥散斑和色偏差测试方法，其特征在于：所述步骤(9)中存储测量数据是将弥散圆处理合成图、点像衍射能量分布曲线图及弥散圆直径存储。

9.根据权利要求6或7或8所述的光学系统弥散斑和色偏差测试方法，其特征在于：所述步骤(5)中是经过反复调节，在光学系统焦面附近离焦后找到一个最佳的像面位置，该最佳的像面位置是在全视场范围内，不同波长下的弥散斑直径均满足指标要求的像面位置。

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