CN102840964A - 大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统，该系统的激光器发射的激光光束通过激光分束镜分成两束激光，两束激光经半反半透镜反射后通过狭缝，然后经反射镜反射后射向平行光管的主镜；从主镜反射出去的两束激光经过两个五棱镜、的四次折转后再次通过主镜返回，经反射镜反射后通过狭缝，然后通过半反半透镜后面的两组分离透镜、会聚在CCD上；处理器根据CCD接收的图像数据计算出两个光斑之间的距离，进而得到离焦量的大小和方向。本发明发射光路和接收光路位于同一平面内，安装时各个元件的相对位置容易保证，降低了整个系统的装调难度。

Description

大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统

技术领域

本发明涉及一种大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统。

背景技术

随着人类不断向太空深处探索，空间光学得到了长足的发展，各种大型空间望远镜、空间相机层出不穷，其口径也是越做越大，如：口径为2.4 m的Hubble望远镜、单个口径为8.4 m的LBT望远镜、口径6.5m的James天基望远镜和总拼接口径为25 m的GMT地基望远镜等。因此，大口径检测系统在标定与检测的科研工作中应用越来越广泛，其核心设备是大口径的平行光管。可是随着平行光管的口径越来越大、焦距越来越长，调整与标定平行光管的过程也变得很繁琐，其像质也较难保证，并且容易受到周围环境的影响。比如：温度、空气扰动、震动或抽真空后光管内外压强差等环境参数的变化引起的离焦问题，不但降低了大口径平行光管的像质，而且使平行光管出射光的发散度增大，进而影响了对于大口径光学设备标定与检测的精度。

目前应用比较广泛的检焦方法主要有：测距法、程序补偿法、图像处理法、光电自准直法四种。

1) 测距法：主要是通过成像系统向成像目标发出激光或是超声波，利用接收器件接收反射波，最后按照一定的算法通过激光或是超声波往返的时间算出物距以及像距。该方法主要用于经纬仪等成像设备，虽然成本较低、可靠性好，但是需要增加雷达或测距机等相应装置。

2) 程序补偿法：利用现有的实验室数据来训练人工神经网络等智能程序，程序经过大量数据的训练便可以找出离焦量与温度、气压、震动等参数的关系，在实际的应用中只要输入现场的几种环境参数，训练好的程序就会给出相应的离焦量。这种方法虽然简单，但是不能完全模拟现实环境的复杂程度，精度不够。

3) 图像处理法：是通过评价和处理离焦时系统所成的模糊图像，计算出系统当时的离焦量，这种方法虽然实时性较高，精度较好，但只适用于传输型空间相机或显微镜等成像系统。

4) 光电自准直法：相比前几种方法，更适于在实验室中应用，而且此方法也正是现阶段实验室调校平行光管的主要方法。但是由于自准直法所用的大口径平面镜会占用整个光管的通光口径，所以平行光管一旦调整好，是无法在使用期间再次调整或检测离焦量的。而且由于被检设备的口径越做越大，调校时所用平面镜的口径也从原来的几百毫米增加到现在的几米甚至十几米，其重量也以百公斤计，所以每次移动平面镜都会对周围的环境参数造成严重的影响，因此无法立即开始检测或调试，这不但会拖慢整个科研项目进程而且还会影响到测量结果的可信程度。

仪器仪表学报第23卷第2 期（2002年4月）公开了“空间相机相关法实时检焦技术研究”一文。该文章提出了一种自准直光路,利用两块五棱镜代替大平面反射镜,将像面发出的狭缝目标经五棱镜反射后成像到其共扼位置上,采用CCD作为光电转换器件,经驱动电路、A/D 转换后输入微机进行信号处理求出离焦大小和方向。该系统发射光路和接收光路不在同一平面内，系统光源和作为光电转换器件的CCD将会同时占用空间相机焦面的两个位置，而考虑到空间相机的结构较为紧凑且各种测量传感器较多，所以在保证不遮挡或不阻碍空间相机自有结构的基础上进行安装和调校较为困难，在轨实时检焦难度较大。由于试验环境对空间相机的影响较大，而该文章又未提及试验时的环境参数和对两狭缝像距离测量重复性的阐述，所以文章中的测量数据和测量精度可能因为系统误差或环境因素的影响而不够准确和完善。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种安装和调校较方便，并且不会遮挡或阻碍平行光管自有光学结构的大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统。

 为了解决上述技术问题，本发明的大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统包括激光器，激光分束镜，半反半透镜，狭缝，两组分离透镜，反射镜，两个五棱镜，处理器；激光器发射的激光光束通过激光分束镜分成两束激光，两束激光经半反半透镜反射后通过狭缝，然后经反射镜反射后射向平行光管的主镜；从主镜反射出去的两束激光经过两个五棱镜的四次折转后再次通过主镜返回，经反射镜反射后通过狭缝，然后通过半反半透镜后面的两组分离透镜会聚在CCD上；处理器根据CCD接收的图像数据计算出两个光斑之间的距离，进而得到离焦量的大小和方向。

本发明利用激光分束镜将激光器发出的一束激光分为两束激光，两束激光的能量分布基本相同，经光学系统后在CCD上得到的两个光斑形状也是十分相近，即两个光斑经过CCD转换成的电信号相关。两个五棱镜固定于远离平行光管主镜的镜筒内，代替大口径平面镜，能够减小对光路的影响，并且不会影响其他的实验工作。由激光器、激光分束镜、半反半透镜、狭缝和两个五棱镜构成发射光路，由半反半透镜、狭缝、两组分离透镜构成接收光路；发射光路和接收光路位于同一平面内，安装时各个元件的相对位置容易保证，降低了整个系统的装调难度。

所述处理器包括：

系统参数存储模块：存储有参数L₀、f＇、M、h，L₀为平行光管的焦点与分离透镜的前焦点重合时两光斑之间的距离，f＇为平行光管的焦距，M为两组分离透镜的放大倍数，M=L＇/L，

，L为平行光管焦点到分离透镜的垂直距离，L＇为CCD到分离透镜的垂直距离，h为分离透镜中心到平行光管光轴的垂直距离；

图像采集模块；

连通各受光区域像素得到各区域光斑的模块；

主光斑确定模块：计算各光斑的面积，选出两个面积最大的光斑作为主光斑并将其余光斑图像灰度值置0的模块；

图像拼接模块：把两幅剔除次级光斑后待处理的图像拼接为一幅图像，使两个主光斑在同一坐标系下；

两主光斑距离计算模块：求取两主光斑的相关量，进而找到最相关时两主光斑之间的像素间隔，根据该间隔及像素大小计算两主光斑之间距离L＇₀；

离焦量计算模块：利用式（2）计算离焦量Δ；

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{\δf}}^{\′}(1+M)}{M(2\mathrm{Mh}+\mathrm{\δ})}---\left(2\right)$

其中δ为光斑偏移量，δ=L＇₀-L₀。

所述两主光斑距离计算模块利用绝对差算法求取两个主光斑的相关量，进而找到最相关情况下两主光斑的像素间隔并计算两者之间距离，将该距离作为两主光斑之间距离L＇₀。

两束激光经过两个五棱镜的四次折转后再次通过主镜返回成像于焦平面处的CCD上，经驱动电路、数模转换电路等把光斑信号传递给处理器，通过后期的软件处理得出离焦量的大小和方向。该系统结构简单、体积与重量都较小，易于安装、调校与搬运。并且五棱镜固定在一般试验都不会用到的平行光管的口径边缘，因此不会影响其他的实验工作，可在实验中进行实时监测。

本发明基于大口径平行光管调校困难，不能实时检测离焦量等技术问题，利用五棱镜代替大口径平面镜的自准直检焦方法，并利用光学系统与CCD相结合的方法来接收光斑位置信息，使得整个监测系统可以达到实时检焦的目的并满足了实验室检焦的精度要求。不但克服了实时性检焦的技术瓶颈，而且整个系统重量轻、操作简单、不用费时调校，只需在第一次使用时把五棱镜安装到平行光管内壁上即可，省去了实验前的复杂工序。本发明处理器通过连通各受光区域像素并计算各光斑的面积，选出两个面积最大的光斑作为主光斑，而将其余光斑图像灰度值置0的方法，能够去除杂散光及谐波分量的干扰，因而测量结果受工作环境影响小，测量重复性好、测量精度高。本发明可排除环境因素或系统误差对平行光管和本检焦系统的影响，提高了整机测量结果的可信性。而本发明在实验室中进行焦点监测并同时考虑了测量时环境因素的变化状况，所以更具实际操作性并能保证其测量精度。实验结果表明：本系统在毫无优化算法的情况下最小检焦分辨能力为45 μm，测量重复性即均方根误差为0.82 μm。为了提高测量精度，我们可以根据离散的相关值数据、通过多项式或是最小二乘法拟合出连续分布的相关曲线，之后再以1/5或是更小的像素间隔对原极小值位置前后再次进行搜索以便找出新的极小值，从而使系统达到亚像元的检测精度。该系统完全符合对各种光学遥感器检测的精度要求，有极高的实用价值，可减少对光学遥感器检测和标定等科研工作的工作量，并可以为大口径长焦距平行光管像质影响因素的进一步研究提供重要的参考依据。

附图说明

图1为现有技术的焦点监测系统结构示意图。

图2为本发明的大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统结构示意图。

图3为系统离焦时CCD上光斑位置的变化示意图。

图4为系统离焦时CCD上光斑的位置-强度变化曲线图。

图5为处理器软件流程图。

图6为被测平行光管单位离焦20mm时，系统光学镜头成像点列图。

具体实施方式

如图1所示，现有技术的焦点监测装置检焦系统包括激光器1-1，分光棱镜1-2，狭缝1-3，两个五棱镜1-5、1-6，两块分离透镜1-8、1-9，处理器（图中未示出）组成。激光器1-1发出的光线通过相机的主镜后变为准直光，利用两个五棱镜的直角反射特性，将目标狭缝像1-3反射,又一次经过主镜成像于焦面上的场镜1-7处；场镜1-7后面设置两个分离透镜1-8、1-9，将目标狭缝像1-3再分别成像到相机CCD接收器1-10上。当相机离焦时，成像在CCD接收器1-10上的两狭缝像之间的距离发生变化,处理器根据变化的方向和大小,就可计算出离焦的方向和大小。

处理器利用积相关法、均方差算法、绝对差算法计算两光斑之间相关度。

 如图2所示，本发明的大口径、长焦距平行光管焦点实时监测装置包括激光器2-1，激光分束镜2-2，狭缝2-3，半反半透镜2-7，两组分离透镜2-8、2-9，反射镜2-11，两个五棱镜2-5、2-6，处理器；激光器2-1发射的激光光束通过激光分束镜2-2分出两束激光，两束激光经半反半透镜2-7反射后通过狭缝2-3，然后经反射镜2-11反射后射向平行光管的主镜2-4；从主镜2-4反射出去的两束激光经过两个五棱镜2-5、2-6的四次折转后再次通过主镜2-4返回，经反射镜2-11反射后通过狭缝2-3，然后通过半反半透镜2-7后面的两组分离透镜2-8、2-9会聚在CCD 2-10上；处理器根据CCD 2-10接收的图像数据计算出两个光斑之间的距离，从而得到离焦量的大小和方向。所述处理器可以采用计算机或其他具有图像处理能力的器件。CCD为线阵CCD或面阵CCD。

如图3所示，该系统的主要工作原理就是把大口径平行光管难以测量的纵向离焦转换成光斑在CCD上距离的改变量。保证系统正确安装前提下，以经过分离透镜2-8、2-9生成的两束光线投影在CCD上的距离定值L₀作为焦点检测的基准。当系统由于震动、温度变化或是光管内部抽真空后内外压强差的变化而产生离焦时，有两种可能性：

1) 一种情况是平行光管的焦点在分离透镜2-8、2-9的前焦点之前，此时受光CCD上两光斑的位置之间的距离大于L₀；

2) 另一种情况是平行光管的焦点偏离到分离透镜2-8、2-9前焦点之后，此时受光CCD上两光斑位置之间的距离小于L₀。

根据受光CCD2-10上光斑位置变化的距离，可鉴别出平行光管是否离焦。只要测出这个偏移量，就能计算出平行光管的离焦量和离焦方向。即当系统离焦Δ时(如图3所示)，通过五棱镜2-5、2-6折转回来的光束会聚在距焦点-Δ处的A'位置。正因为如此受光CCD2-10上两光斑间距变为L₀'并相对于合焦时的L₀移动了δ。而δ即是本系统要监测的偏移量。

假设分离透镜2-8、2-9的放大率为M，光管的焦距为f＇，根据图3中各量间关系得出如下关系式:

$\mathrm{\δ}=\frac{2f^{\′}\mathrm{h\Δ}}{(L-\mathrm{\Δ})(L-f^{\′})}---\left(1\right)$

$M=L^{\′}/L---\left(2\right)$

$L^{\′}=\frac{f^{\′}L}{L-f^{\′}}---\left(3\right)$

其中把式(2)、(3)代入式(1)中，得到：

$\mathrm{\δ}=\frac{2M^2\mathrm{h\Δ}}{f^{\′}+M(f^{\′}-\mathrm{\Δ})}---\left(4\right)$

求反函数可得到光斑偏移量δ与离焦量Δ的关系：

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{\δf}}^{\′}(1+M)}{M(2\mathrm{Mh}+\mathrm{\δ})}---\left(5\right)$

并且当δ为最小象元尺寸时，就可以通过计算得出本系统的最大检焦分辨力。

五棱镜在光学中的应用有着很悠久的历史，早在光学检测技术刚刚起步的时候人们就利用它折转光路的特性对平行光管进行调校，利用人眼进行观测，属于定性的判断，测量的结果跟人的经验和视力有关。而随着科学技术的不断进步五棱镜也有了新的用途，它不仅可以用于检验出射光的平直度，更能通过动态扫描镜面来完成对各种大口径反射镜像质和面型的评价。由于入射到五棱镜光轴截面内的光，都会折转90°出射，所以本系统的返回光束并不会因为震动或是五棱镜安装时的误差而影响检测精度。

如前文所述，离焦量Δ主要是通过对受光CCD2-10上的两个光斑的偏离量δ进行检测而得到的。所以找到精确测量CCD上光斑移动距离的方法就尤为重要。目前应用较为广泛的方法是质心法，因为质心法是对信号求面积的矩，然后又在该区域内做面积的平均，过程中对数百个点进行加权平均，这样可以显著平滑每个点对整个信号的影响。但是当信号的波形不规则、信噪比较低，或者实际工作环境中噪声过大时，用质心法算出的信号代表点误差就会增大，从而影响到光斑偏移量δ的检测精度。另一种方法是利用相关法求光斑先后在受光CCD上产生的两个电信号间的距离，进而求出光斑的偏移量。若设两个能量信号为x(t)、y(t)，将其离散化为长度是N的实离散信号x(n)、y(n)，则其相关函数定义为

$R_{\mathrm{xy}}\left(k\right)={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N|x\left(n\right)-y(n+k)|---\left(6\right)$

此种相关测量算法为绝对差算法，其特点是计算精度高而且计算速度也快，非常适合本系统的实时性要求。并且作为检测设备的大口径平行光管对检焦精度的要求要比一般的光学设备高，考虑到在实际工作中有可能会引进多种噪声，因此为精确求出光斑的偏移量，选用在噪声情况下具有优良性能的相关法计算光斑位置的偏移量将会得到较为满意的结果。

设x(t)、y(t)是由同一激光器经过分光棱镜分离出的两束激光的能量信号。当CCD接收到两束激光时，受光CCD像元把激光的光信号转换成了电信号，而光强的多少就转换成了电平的高低。如此一来以时间t为变化量的能量信号就转化成了CCD像元单位时刻的电信号x(n)、y(n+k)，而n则是像元序号，N是CCD总像元数。由于两个能量信号x(t)、y(t)是来自同一个激光器，两束激光的能量分布基本相同，所以离散化了的电信号x(n)、y(n+k)，形状也是十分相近的，即两个电信号相关。应用绝对差算法时，两个电信号x(n)、y(n+k)对应项相减再取绝对值。两个电信号越相似，R_xy越小，两个信号越相关。公式中k表示CCD上x(n)、y(n+k)之间的像元数，可以说k就是两个光斑在CCD上的像元间隔，在知道CCD像元大小的情况下就可以算出两个光斑的距离L＇₀，从而利用公式(5)计算出离焦量Δ。

如图5所示，所述处理器程序包括下述具体步骤：

一、采集CCD图像数据。

二、连通CCD上各受光区域像素；由于CCD上接收的光包括激光光束的基波分量、谐波分量和杂散光，被这些光照射到的像素灰度值都不为零，灰度值不为零的相邻像素连通在一起即构成光斑，因而CCD上包括激光光束基波分量照射得到的光斑、谐波分量照射得到的光斑和杂散光照射得到的光斑。

三、计算各光斑的面积，选出两个面积最大的光斑作为主光斑并将其余光斑图像灰度值置0；两个主光斑即为激光光束基波分量照射得到的光斑，而其他光斑为谐波分量照射得到的光斑和杂散光照射得到的光斑。将其余光斑图像灰度值置0即可去除激光谐波分量和杂散光的干扰，提高测量精度。

四、将含有主光斑的两幅图像拼接在一起，使两个光斑在同一个坐标系下。由于两束激光光束经光学系统后在像面上所成的像距离相差较远，因而两主光斑分别成像在两个CCD上，在测量两者之间距离时必须要将含有主光斑的两幅图像拼接在一起。

五、求取两主光斑的相关量，进而找到最相关时两个光斑在CCD上的像元间隔，并根据该间隔及像元大小求得两主光斑之间距离L＇₀。两个像素的相关量可以采用绝对差算法求取，也可以采用积相关法、均方差算法求取。

六、利用式（2）计算离焦量Δ；

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{\δf}}^{\′}(1+M)}{M(2\mathrm{Mh}+\mathrm{\δ})}---\left(2\right)$

其中δ为光斑偏移量，δ=L＇₀-L₀，L₀为平行光管的焦点与分离透镜2-8、2-9的前焦点重合时两光斑之间的距离，f＇为平行光管的焦距，M为两组分离透镜的放大倍数，M=L＇/L，

，L为平行光管焦点到分离透镜的垂直距离，L＇为CCD到分离透镜的垂直距离，h为分离透镜中心到平行光管光轴的垂直距离。

为了初步验证上述系统的检焦能力，我们首先用zemax对该系统进行仿真。自焦点起，以每离焦15 μm为一采样点，进行仿真计算，得到光斑在CCD上的移动数据(如表1)。仿真结果表明，实际离焦量与由光斑变化计算出的离焦量的相对误差基本恒定，说明该系统存在线性系统误差，可以通过补偿来消除。由表1中的仿真数据我们还可以发现，当系统离焦45 μm的时候，光斑在CCD上的移动距离达到了7.2 μm，而因为本系统中采用的线阵CCD的像元大小仅为7 μm,也就是说在系统离焦45 μm的情况下CCD 上的光斑移动了整数个像元。因此在没有使用任何优化算法的基础上，CCD就可以识别出光斑的移动，即本检焦系统自身的灵敏度可以达到45 μm，若在实际的应用中通过CCD细分算法进一步优化，则该系统的检焦分辨力将会进一步提升，可以为大口径长焦距平行光管像质影响因素的进一步研究，提供重要的参考依据。表1  光斑位置与离焦量的关系

由图6所示的系统光学镜头成像点列图可以看出，本发明中的分离透镜组（即光学镜头）在平行光管前后离焦80mm范围内成像基本达到衍射极限水平，检焦的量程较宽，并且基本都在一个像元大小左右，测量精度较高。

本发明不限于上述实施方式，处理器还可以采用现有技术中其他的方法计算两光斑之间的距离，例如可以将线阵CCD上两个灰度值最大的像素之间的距离作为两光斑之间的距离，或者将两个最大光斑的几何中心距离作为两光斑之间的距离等。因而凡是在本发明权利要求1技术方案基础上作出的任何简单变形，都在本发明意图保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统，其特征在于包括激光器（2-1），激光分束镜（2-2），狭缝（2-3），半反半透镜（2-7），反射镜（2-11)，两个五棱镜（2-5、2-6），两组分离透镜（2-8、2-9），处理器；激光器(2-1)发射的激光光束通过激光分束镜(2-2)分成两束激光，两束激光经半反半透镜(2-7)反射后通过狭缝(2-3)，然后经反射镜(2-11)反射后射向平行光管的主镜(2-4)；从主镜(2-4)反射出去的两束激光经过两个五棱镜(2-5、2-6)的四次折转后再次通过主镜(2-4)返回，经反射镜(2-11)反射后通过狭缝(2-3)，然后通过半反半透镜(2-7)后面的两组分离透镜(2-8、2-9)会聚在CCD(2-10)上；处理器根据CCD(2-10)接收的图像数据计算出两个光斑之间的距离，进而得到离焦量的大小和方向。

2.根据权利要求1所述的大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统，其特征在于所述处理器包括：

系统参数存储模块：存储有参数L₀、f＇、M、h，L₀为平行光管的焦点与分离透镜（2-8、2-9）的前焦点重合时两光斑之间的距离，f＇为平行光管的焦距，M为两组分离透镜的放大倍数，M=L＇/L，

，L为平行光管焦点到分离透镜的垂直距离，L＇为CCD到分离透镜的垂直距离，h为分离透镜中心到平行光管光轴的垂直距离；

图像采集模块；

连通各受光区域像素得到各区域光斑的模块；

主光斑确定模块：计算各光斑的面积，选出两个面积最大的光斑作为主光斑并将其余光斑图像灰度值置0的模块；

图像拼接模块：把两幅剔除次级光斑后待处理的图像拼接为一幅图像，使两个主光斑在同一坐标系下；

两主光斑距离计算模块：求取两主光斑的相关量，进而找到最相关时两主光斑之间的像素间隔，根据该间隔及像素大小计算两主光斑之间距离L＇₀；

离焦量计算模块：利用式（2）计算离焦量Δ；

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{\δf}}^{\′}(1+M)}{M(2\mathrm{Mh}+\mathrm{\δ})}---\left(2\right)$

其中δ为光斑偏移量，δ=L＇₀-L₀。

3.根据权利要求2所述的大口径、长焦距平行光管焦点实时监测系统，其特征在于所述两主光斑距离计算模块利用绝对差算法求取两个主光斑的相关量，进而找到最相关情况下两主光斑的像素间隔并计算两者之间距离，将该距离作为两主光斑之间距离L₀＇。

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