CN106768882A - 一种基于夏克‑哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于夏克‑哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，该测量方法中，采用小口径平行光源(1)入射被测光学系统(3)，通过扫描像面(5)使夏克‑哈特曼波前传感器(7)处于被测光学系统(3)的共焦位置，并记录扫描角度ω'_p1，利用夏克‑哈特曼波前传感器(7)测量波像差(4)引起的偏移角度ω'_p2，进而得到实际出射角ω'_p，ω'_p＝ω'_p1+ω'_p2，并根据理想出射角ω'_o，入射角ω和被测光学系统(3)焦距f'，得到不同视场状态下被测光学系统(3)的相对畸变量q和畸变量△y，△y＝qf'tanω。本发明的测量方法有效地降低了测量成本，提高了测量精度，增强了测量方法的通用性。

Description

一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法

技术领域

本发明属于光学系统检测技术领域，特别涉及一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法。

背景技术

大视场光学系统能够提高利用效率，但是随着视场的增大，光学系统的畸变会随之增大，虽然畸变不影响光学系统的成像质量，但会引起图像的形状失真。这种形状失真对于不同的大视场光学系统的影响效果是不一样的，对于用于普通任务或者景物的照相物镜、电影摄像物镜和放映物镜等大多数非精密测量的物镜，相对畸变量只要不大于0.5％，就不会有多大影响，因为这是人眼已经觉察不出直线成像时的变形。对于用于复制和精密测量的光学系统，例如制版物镜、投影物镜和航空摄影测量物镜等，则对畸变大小有相当严格的要求，有的甚至要求在整个视场范围内绝对畸变量不超过几个微米。对于这样的光学系统，不仅在设计时要尽可能对畸变进行校正，而且光学系统还要仔细地进行畸变测量，以便作为使用中测量结果的修正量。大多数摄影物镜都是在物位于无限远或者相当远距离情况下使用的，因此，畸变的测量可以通过在给定视场角情况下测量像高来得到，也可以在给定像高下通过测量物方视场角得到。

在大口径望远镜领域，为了提高观测效率而将光学系统的视场设计较大，设计过程中，一般以中心视场的成像质量为基础，同时为了保证轴外视场的成像质量，通常以放大轴外视场的畸变作为条件实现。特别是应用于天体测量的大口径望远镜，畸变的准确测量就显得非常重要。

目前，光学系统成像畸变测量方法主要分为两种，一是精密测长法，二是精密测角法。精密测长法是指将标定过的网格板放置在被测光学系统的物方位置，使被测光学系统的光轴垂直网格板并通过其中心，记录网格在像平面的图案，用精密的测量仪器测量出各不同视场位置上的目标像到中心的距离；或是利用平行光源改变不同的入射视场角，测量不同视场位置上的目标像到中心视场像点的距离，例如在专利US5812260、US5471297、JP1123726等中描述的装置。精密测角法是利用平行光管或被测光学系统绕入瞳中心的垂直轴做相对转动，使得像面上星点像的中心坐标位于指定位置，通过计算像高和测量旋转角度来计算畸变，例如专利CN202522395等中描述的装置。

现有测量方法应用于大口径望远镜设备中，存在明显的缺陷，一是平行光源研制困难，平行光源的口径需大于被测光学系统的口径，这对于口径达到数米，甚至十数米或数十米的大望远镜不可能实现，二是测量器件的通用性，现有方法中测量器件通常采用显微镜或是CCD阵列，其靶面大于被测望远镜的视场范围，这对于长焦距、大视场、大口径望远镜来讲，其靶面通常达到数百毫米，成本较大，而且对于不同类型望远镜，不可能采用统一的靶面进行测量，一般都是需要针对性设计的，三是测量精度，像点位置在测量器件上通常利用质心算法计算其灰度值，得到质心，并用质心位置表示像点中心位置，这对于普通用途的光学系统而言，精度能够满足要求，对于计量用光学系统来讲，质心位置与像点实际中心位置存在偏差，这部分偏差随着像差增大而增大，达到微米级别，甚至毫米级别。

针对上述现有方法中的不足，本发明提出了一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，该方法利用小口径平行光源入射被测光学系统，运动器件扫描像点位置，使夏克-哈特曼传感器处于共焦位置，同时利用夏克-哈特曼测量的像差数值进行偏移量补偿，最终测量得到光束出射角，比较入射角得到相对畸变量，通过数学拟合，计算得到全视场范围内的畸变曲面，为畸变修正提供依据。

发明内容

为了解决目前畸变测量方法不能满足大口径、大视场望远镜的应用问题，本发明提出了一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，该方法测量过程为：小口径平行光源直接入射被测光学系统，平行光源绕光学系统入瞳中心旋转实现视场角的改变，运动装置通过扫描像面方式使前夏克-哈特曼波前传感器处于被测光学系统共焦位置，根据测量所得的扫描角度和波像差引起的偏移角度获得实际出射角度，并对比入射视场角，得出不同视场状态下的相对畸变量和畸变量。

更进一步的，所述的平行光源的口径小于被测光学系统的口径，可以根据被测光学系统波像差大小、畸变测量精度要求进行选择。

更进一步的，所述的平行光源需绕被测光学系统的入瞳中心旋转实现入射视场角的改变，可以通过绕平行光源自身轴线旋转，根据夏克-哈特曼波前传感器子孔径光斑排布情况判断是否绕入瞳中心。

更进一步的，所述的运动装置包含六个自由度，根据夏克-哈特曼传感器子孔径光斑分布、倾斜、偏摆和离焦项像差数值判断运动装置是否将夏克-哈特曼传感器调整至共焦位置。

更进一步的，所述的扫描角度是指在扫描像面中，运动装置将夏克-哈特曼波前传感器调整至被测光学系统的共焦位置状态相对于光轴的运动角度。

更进一步的，所述的波像差引起的偏移角度是指夏克-哈特曼波前传感器调整至被测光学系统共焦位置后，根据测量的波前斜率信息复原出射光束复原波面，计算得到波面中心点位置的偏移角度。

更进一步的，所述的实际出射角ω'_p是指不同入射视场角状态下，出射光束的实际出射角，由下式计算得到，ω'_p＝ω'_p1+ω'_p2，其中，ω'_p1为运动装置的扫描角度，ω'_p2为波像差引起的偏移角度。

更进一步的，所述的相对畸变量q由如下公式计算得到，其中，ω'_o为理想出射角，ω'_p为实际出射角。

更进一步的，所述的畸变量△y，由下式计算得到，△y＝qf′tanω，其中，q为相对畸变量，ω为入射角，f'为被测光学系统焦距。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，利用小口径平行光源入射被测光学系统，通过扫描像面使夏克-哈特曼波前传感器处于被测光学系统的共焦位置，夏克-哈特曼波前传感器用于测量不同视场角状态下的波前像差，根据扫描角度和夏克-哈特曼波前传感器测量波相差引起的偏移角度，进而得到光学系统的实际出射角，比较入射角得到相对畸变量和畸变量。本发明的测量方法利用小口径平行光源、夏克-哈特曼像面扫描和像差偏移补偿，有效地降低了测量成本，提高了测量精度，增强了通用性和扩展性。

附图说明

图1为本发明的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量原理图。

图2为灰度质心及与像差引起偏移之间的偏差。

图3为光学系统全视场畸变测量流程图。

图4为像面扫描示意图。

图中附图标记含义为：1为平行光源，2为入瞳，3为被测光学系统，4为被测光学系统波像差，5为实际像面，6为高斯像面，7为夏克-哈特曼波前传感器，8为出瞳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

本发明涉及的光学系统畸变测量原理见图1，主要包括平行光源1，被测光学系统3的入瞳2，被测光学系统3及其波像差4，实际像面5，高斯像面6，夏克-哈特曼波前传感器7和出瞳8。

本发明的测量方法中，利用小口径平行光源1进行测量，口径小于被测光学系统3的口径，可以根据被测光学系统3的波像差4的大小、畸变测量精度要求进行选择。平行光源1需绕被测光学系统3的入瞳2中心旋转实现入射视场角的改变，在测量之前，需要先确定平行光源1的旋转中心为入瞳2中心。

在不同视场角状态下，像点在像面上的位置将发生变化，视场变化较大时，像点将会超出夏克-哈特曼波前传感器7的视场范围，此种状态下，需要利用运动装置驱动夏克-哈特曼波前传感器7在像面扫描，从而使其处于被测光学系统3的共焦位置，记录扫描角度ω'_p1。

夏克-哈特曼波前传感器7调整至被测光学系统3的共焦位置后，测量出射光束的波前像差，根据计算得到的复原波面，然后求解复原波面中心点的偏移角度ω'_p2，如下公式所示，

其中，W(x,y)表示被测光学系统3的波像差，x,y分别表示复原波面的两个正交方向，i表示虚数因子。

根据上述的扫描角度ω'_p1和偏移角度ω'_p2，得到被测光学系统3的实际出射角度ω'_p，

ω′_p＝ω′_p1+ω′_p2。

光学系统的畸变是指主光线与高斯像面的实际交点与理想交点之间的偏差，一般用相对畸变量q来表示，典型的表达方式如下，

其中，y'_p表示出射光束主光线与高斯像面实际交点的高度，y'o表示出射光束主光线与高斯像面理想交点的高度。

根据拉赫不变量，可以将相对畸变量q表示为，

其中，ω'_p表示出射光束主光线的实际出射角，ω'_o表示出射光束主光线的理想出射角。

畸变量△y由上述相对畸变量得到，如下表达式，

△y＝qf′tanω，

其中，q为相对畸变量，ω为入射角，f'为被测光学系统焦距。

图2给出了灰度成像的质心及与实际光斑中心之间的误差，质心算法是由以下公式计算，

其中，表示为灰度图像的质心坐标，(x'_j,y'_j)表示第j个像元的坐标，I(x'_j,y'_j)表示第j个像元的灰度值，m表示像面的像元数量。

质心算法中将灰度图像的质心代替了主光线与高斯像面的交点，但是二者之间存在误差，通过仿真计算前65阶泽尼克正交多项式像差，可以看出，不对称波像差将会引起主光线发生偏移，这也就是畸变产生的根本原因，但是，利用质心算法计算得到的结果与这部分实际结果存在偏差。本发明的测量方法通过测量出射光束的波像差，得到了复原波面中心位置的角度偏移，也即主光线的实际偏移，提高了测量精度。

基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量流程见图3，主要检测步骤为：

第一步：基准位置标定，先将被测光学系统3按照基准位置固定安装，然后将平行光源1调整至初始位置，再将夏克-哈特曼波前传感器7调整至被测光学系统3的共焦位置，然后平行光源1绕自身轴线旋转，观测夏克-哈特曼波前传感器7子孔径光斑排布情况，如果发生旋转漂移，则平行光源1的旋转中心与入瞳2中心不重合，需要调整平行光源1位置和姿态，直至夏克-哈特曼波前传感器7的子孔径光斑排布不发生旋转偏移，则平行光源1的旋转中心调整至入瞳2中心。

第二步：测量视场改变，根据测量入射视场角要求，平行光源1绕被测光学系统3的入瞳2中心旋转实现入射视场角的改变。

第三步：像面扫描，具体调整方法，运动装置(图1中未显示)作为驱动元件，包含六个自由度，夏克-哈特曼波前传感器7作为探测元件，仅利用其测量出射光束波像差中的倾斜、偏摆与离焦项数值，以及子孔径光斑分布做判断依据，要求波像差的倾斜、偏摆与离焦项数值在容许误差，同时子孔径全部充满光斑的状态，则认为调整至共焦位置，如图4所示，哈特曼波前传感器7从上一个视场像点位置运动到当前视场位置，记录运动装置的扫描角度。

第四步：像差测量与偏移角度计算，夏克-哈特曼波前传感器7调整至被测光学系统3的共焦位置后，测量出射光束的波前像差，根据计算得到的复原波面，然后求解复原波面中心点的偏移角度。

第五步：畸变计算，根据上述的扫描角度和偏移角度，得到被测光学系统3的实际出射角度，然后利用公式得到相对畸变量和畸变量。

第六步：全视场测量，根据测量视场要求，按序号重复第二步和第三步，直至全部完成，并记录所有相对畸变量和畸变量。

上述实施例仅是为了清楚说明本发明的举例，而并非对实施方式的限定。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于，该方法测量过程为：小口径平行光源(1)直接入射被测光学系统(3)，平行光源(1)绕被测光学系统入瞳(2)中心旋转实现视场角的改变，运动装置通过扫描像面方式使前夏克-哈特曼波前传感器(7)处于被测光学系统(3)共焦位置，根据测量所得的扫描角度和波像差引起的偏移角度获得实际出射角度，并对比入射视场角，得出不同视场状态下的相对畸变量和畸变量。

2.根据权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于：所述的平行光源(1)的口径小于被测光学系统(3)的口径，可以根据被测光学系统波像差(4)大小、畸变测量精度要求进行选择。

3.根据权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于：所述的平行光源(1)需绕被测光学系统的入瞳(2)中心旋转实现入射视场角的改变，可以通过绕平行光源(1)自身轴线旋转，根据夏克-哈特曼波前传感器(7)子孔径光斑排布情况判断是否绕入瞳中心。

4.根据权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于：所述的运动装置包含六个自由度，根据夏克-哈特曼波前传感器(7)子孔径光斑分布、倾斜、偏摆和离焦项像差数值判断运动装置是否将夏克-哈特曼波前传感器(7)调整至共焦位置。

5.根据权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于：所述的扫描角度是指在扫描像面中，运动装置将夏克-哈特曼波前传感器(7)调整至被测光学系统(3)的共焦位置状态相对于光轴的运动角度。

6.根据权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于：所述的波像差(4)引起的偏移角度是指夏克-哈特曼波前传感器(7)调整至被测光学系统(3)共焦位置后，根据测量的波前斜率信息复原出射光束复原波面，计算得到波面中心点位置的偏移角度。

7.根据权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于：所述的实际出射角ω'_p是指不同入射视场角状态下，出射光束的实际出射角，由下式计算得到，ω'_p＝ω'_p1+ω'_p2，其中，ω'_p1为运动装置的扫描角度，ω'_p2为波像差(4)引起的偏移角度。

8.根据权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于：所述的相对畸变量q由如下公式计算得到，其中，ω'_o为理想出射角，ω'_p为实际出射角。

9.根据权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法，其特征在于：所述的畸变量△y，由下式计算得到，△y＝qf′tanω，其中，q为相对畸变量，ω为入射角，f'为被测光学系统(3)焦距。