CN102620655B - 一种测量光斑大小的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量光斑大小的方法，采用光学系统物方扫描的方法，使得光斑依次通过阵列探测器中相邻两个探测元，获取探测器中相邻两个探测元的响应曲线，根据响应曲线的特征提取光斑大小。利用本发明能够提高大占空比探测器中光斑大小的测量精度，并且简单、可行，对于相关的光学测量具有很好的使用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量和光电子学技术领域，尤其涉及一种测量光斑大小的方法。
背景技术
光学测量和光学电子学是当今世界上比较活跃的两个科技领域，光斑大小的测量是涉及到这两个领域的一个典型技术应用。在很多情况下，光学系统对光斑的尺寸大小有严格的要求，比如在跟踪方面，需要严格控制光斑大小，才能高效准确提取出目标位置信息。特别是在大占空比阵列探测器中，光斑往往部分落在阵列探测器的象元间隙上，此时采用阈值分割等图像处理方法分析光斑大小，会丢失象元间隙上光斑部分，严重影响了光斑大小的测量精度，影响了后续应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种测量光斑大小的方法，以测量出大占空比探测器中的光斑大小。
本发明的技术方案的具体实现为：一种测量光斑大小的方法，该方法采用光斑依次通过阵列探测器中相邻两个探测元，获取探测器中相邻两个探测元的响应曲线，根据响应曲线的特征提取光斑大小。
上述在测量光斑大小的方法具体可为：
步骤A1、将被测光学系统按光学设计给出的空气间隔、轴向关系进行装调，在被测光学系统前依次布置模拟目标、转台、转折反射镜，其中转折反射镜置于转台上。在被测测量光学系统成像物面上布置阵列探测器，对阵列探测器均匀性校正。
步骤A2、通过转台转动转折反射镜实现模拟目标扫描，使得光斑依次通过阵列探测器的相邻两个探测元，记录每次转动角度和相应阵列探测器探测元的响应输出。
步骤A3、分别获取阵列探测器相邻两个探测元的输出响应曲线，并在统一横坐标系下综合相邻两个探测元的输出响应曲线。
步骤A4、根据相邻两个探测元的输出响应曲线的相关特征，计算出实际测量中相邻两元响应曲线交点与单个元输出响应的峰值比值，以下简称交峰比。
步骤A5、仿真计算光斑依次扫描相邻两个探测元，得到模拟输出响应曲线；计算不同光斑大小时，相邻两元响应曲线的交峰比，得到一系列光斑大小与交峰比的对应关系，通过拟合得到交峰比随光斑大小变化的曲线。
步骤A6、将步骤A4得到的实际测量得到的交峰比，带入步骤A5拟合得到光斑大小与交峰比的曲线，通过插值推算确定光斑大小。
所述阵列探测器的光敏面为矩形结构。
所述阵列探测器的响应截至波长不小于入射光波长。
所述阵列探测器的各探测元的响应率相同
本发明限于光斑大小大于阵列探测器的相邻探测元之间的间距。
本发明限于仿真计算光斑依次扫描相邻两个探测元的方法是基于光斑能量分布是来自被测光学系统的CODEV仿真得到的光斑点扩散函数。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种测量光斑大小的方法，通过采用光学系统物方扫描，使光斑依次通过阵列探测器中相邻两个探测元，获取探测器中相邻两个探测元的响应曲线，根据响应曲线的特征获取光斑大小信息。
2、本发明提供的这种测量光斑大小的方法，对于大占空比探测器系统中的光斑大小测量具有很好的实用价值。
3、本发明提供的这种测量光斑大小的方法，对于实验、观测相关的光学像质检测及调整具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明提供的在大占空比探测器中测量光斑大小的方法流程图；
图2为本发明提供的系统示意图；
图3为本发明提供的光斑依次通过探测元的示意图；
图4为本发明提供的阵列探测器相邻两个象元的输出响应曲线；
图5为本发明提供的光斑仿真卷积后二维、一维响应输出图样；
图6为本发明提供的仿真相邻两元响应曲线图样。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的核心思想是：该方法采用光学系统物方扫描的方法，使得光斑依次通过阵列探测器中相邻两个探测元，获取探测器中相邻两个探测元的响应曲线，根据响应曲线的特征提取光斑大小。
根据阵列探测器探测元的响应曲线提取光斑大小的核心思想是：仿真计算光斑依次扫描相邻两个探测元，得到模拟输出响应曲线，计算不同光斑大小时的交峰比，得到一系列光斑大小与交峰比的对应关系。将实际测量中得到的相邻两个探测元的输出响应曲线的交峰比，带入仿真得到的光斑大小与交峰比的对应关系结果中，采用插值拟合法确定光斑大小。
本法发明测量光斑大小的具体实施例为：
步骤A1、将B4被测光学系统按光学设计给出的空气间隔、轴向关系分别安装B41透镜I、B42透镜II；在B4被测光学系统前依次布置B1模拟目标、B2精密数显转台、B3转折反射镜。其中，B1模拟目标由B11光源、B12调制器、B13光管组成，B11光源的出光孔贴近B12调制器通光孔，B12调制器通光孔贴近B13光管的入射针孔；B3转折反射镜置于B2转台上。在被测测量光学系统成像物面上布置B5阵列探测器，对B5阵列探测器均匀性校正。
步骤A2、通过B2精密数显转台，精细转动B3转折反射镜，实现模拟目标物方扫描，使得光斑依次通过B5阵列探测器的相邻两个探测元，见图3示意。记录每次转动角度和相应阵列探测器B5的响应输出。
步骤A3、分别获取B5阵列探测器相邻两个探测元的响应输出相对于光斑中心位置的响应曲线，并在统一横坐标系下综合相邻两个探测元的响应曲线。如图4所示，曲线的横坐标为光斑中心相对位置，单位μm，光斑中心相对位置数值是精密数显转台B2的相对转动角度的正切与测量光学系统B4的系统焦距的乘积；纵坐标为阵列探测器B5的响应输出，单位mv。
步骤A4、根据相邻两个探测元的输出响应曲线的相关特征，计算出实际测量中相邻两元响应曲线交点与单个元输出响应的峰值比值，以下简称交峰比。
步骤A5、仿真计算光斑依次扫描相邻两个探测元，得到模拟输出响应曲线；计算不同光斑大小时，相邻两元响应曲线的交峰比，得到一系列光斑大小与交峰比的对应关系，通过拟合得到交峰比随光斑大小变化的曲线。
步骤A6、将步骤A4得到的实际测量得到的交峰比，带入步骤A5拟合得到光斑大小与交峰比的曲线，通过插值推算确定光斑大小。
为了进一步详细说明，将步骤A5仿真过程及拟合得到交峰比随光斑大小变化的曲线进行如下具体实例说明：
本发明中光斑模型为基于被测光学系统的CODEV仿真得到的光斑点扩散函数。通过CODEV仿真被测光学系统，离焦不同位置得到不同光斑大小的PSF文件，并用Matlab R2007b提取PSF文件得到理想点物成的像的能量分布，得到离散的点扩散函数。将点扩散函数与几何光斑像卷积，得到成像光斑的能量分布。进一步，将光斑按行扫描通过探测器单个象元，计算探测器的响应输出相对于光斑相对位置的响应曲线。这个物理过程在数学上即为一个卷积过程：
h(x，y)＝∫∫f(ζ，η)g(x-ζ，y-η)dζdη
当光斑描扫轨迹只沿一个方向时，二维卷积可以简化为一维卷积。取上述二维响应的中特定行y＝y0，二维探测器响应输出h(x，y)即为h(x，y0)。见图5示意，得到符合实验测量时物方扫描得到的一维响应输出曲线。
进一步仿真计算光斑依次扫描相邻两个探测元，得到两个相邻象元的模拟输出响应曲线，将两条曲线按光斑中心位置坐标进行统一，综合在一张图中，如图6所示。统计不同光斑大小时，相邻两元响应曲线交点与单个元输出响应的峰值比值，得到一系列光斑大小与交峰比的对应关系，通过拟合得到光斑大小与交峰比的曲线。
将步骤A4所得到相邻两元响应曲线交点与单个元输出响应的峰值比值，带入仿真结果中，推算出光斑大小。
至此，完成一种在大占空比探测器中光斑大小的测量。
本发明提供的物方扫描测量光斑大小的方法，光斑依次通过阵列探测器中相邻两个探测元，获取探测器中相邻两个探测元的响应曲线，根据响应曲线的特征提取光斑大小。这种方法简单可行，对于实验观测相关的光学像质检测及调整具有很好的实用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种测量光斑大小的方法，其特征在于：该方法采用光斑依次通过阵列探测器中相邻两个探测元，获取探测器中相邻两个探测元的响应曲线，根据响应曲线的特征提取光斑大小；
该方法具体包括：
步骤A1、将被测光学系统按光学设计给出的空气间隔、轴向关系进行装调，在被测光学系统前依次布置模拟目标、转台、转折反射镜，其中转折反射镜置于转台上，在被测光学系统成像物面上布置阵列探测器，对阵列探测器进行均匀性校正；
步骤A2、通过转台转动转折反射镜实现模拟目标扫描，使得光斑依次通过阵列探测器的相邻两个探测元，记录每次转动角度和相应阵列探测器探测元的响应输出；
步骤A3、分别获取阵列探测器相邻两个探测元的输出响应曲线，并在统一横坐标系下综合相邻两个探测元的输出响应曲线；曲线的横坐标为光斑中心相对位置，单位μm，光斑中心相对位置数值是转台的相对转动角度的正切与被测光学系统的系统焦距的乘积；纵坐标为阵列探测器的响应输出，单位mv；
步骤A4、根据相邻两个探测元的输出响应曲线的相关特征，计算出实际测量中相邻两个探测元响应曲线交点与单个探测元输出响应的峰值比值，以下简称交峰比；
步骤A5、仿真计算光斑依次扫描相邻两个探测元，得到模拟输出响应曲线；计算不同光斑大小时，相邻两个探测元响应曲线的交峰比，得到一系列光斑大小与交峰比的对应关系，通过拟合得到交峰比随光斑大小变化的曲线；
步骤A6、将步骤A4得到的实际测量得到的交峰比，带入步骤A5拟合得到光斑大小与交峰比的曲线，通过插值推算确定光斑大小。
2.根据权利要求1所述的测量光斑大小的方法，其特征在于：所述阵列探测器的光敏面为矩形结构。
3.根据权利要求1所述的测量光斑大小的方法，其特征在于：所述阵列探测器的响应截止波长不小于入射光波长。
4.根据权利要求1所述的测量光斑大小的方法，其特征在于：所述阵列探测器的探测元响应率相同。
5.根据权利要求1所述的测量光斑大小的方法，其特征在于：光斑大小大于阵列探测器的相邻探测元之间的间距。
6.根据权利要求1所述的测量光斑大小的方法，其特征在于：仿真计算光斑依次扫描 相邻两个探测元的方法是基于光斑能量分布是来自被测光学系统的CODEV仿真得到的光斑点扩散函数。
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