CN107525654B - 成像系统像差检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的成像系统像差检测方法及装置，其中，所述成像系统像差检测方法应用于像差检测仪，像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，微透镜阵列放置于待检测成像系统的焦面上，CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上，微透镜阵列用于对入瞳焦平面处光的复振幅进行分割，以在CCD探测器处形成观测目标的低分辨图像，方法包括：根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列；根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率；基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息。上述方法具有单次测量获得大视场成像系统像差的能力，同时还具有结构简单、体积小和对不同类型的像差进行分类测量的优点。

Description

成像系统像差检测方法及装置

技术领域

本发明涉及成像系统的像差检测领域，具体而言，涉及一种成像系统像差检测方法及装置。

背景技术

成像系统作为光学系统的一个重要分支，广泛应用于人类生产生活的各个方面。但是受到加工材质，加工精度和镜片结构等因素的限制，实际光学系统所成的像都不可能完全符合理想。所谓像差就是指实际光学系统和理想光学系统成像的差别，像差会使成像变得模糊和失真，像差大小也就代表了光学系统成像质量的优劣。像差会影响图像质量，同时又是不可避免的。对成像要求提高，减少像差所需的成本会急剧上升(根据镜头复杂程度不一样，从几百元到几十万元不等)。在许多应用中，成像系统的像差都具有一定的容忍度。因此，像差测量仪是光学检测中的一个重要设备类型。

在对大视场成像系统的像差进行检测时，像差的类型、大小以及随不同视场的变化都是成像系统的重要指标。传统的基于哈特曼波前传感器的成像系统像差检测仪受到哈特曼波前传感器视场的限制，单次测量无法直接得到大视场成像系统全视场的像差信息，限制了其应用范围。

发明内容

为了克服现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种成像系统像差检测方法及装置，本申请像差检测仪，利用焦面哈特曼波前传感器替代传统的哈特曼波前传感器，具有单次测量获得大视场成像系统像差的能力，同时还具有结构简单、体积小和对不同类型的像差进行分类测量的优点。

为了实现上述目的，本发明较佳实施例采用的技术方案如下：

本发明较佳实施例提供一种成像系统像差检测方法。应用于像差检测仪，所述像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，所述微透镜阵列放置于待检测成像系统的焦面上，所述CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上，所述微透镜阵列用于对入瞳焦平面处光的复振幅进行分割，以在CCD探测器处形成观测目标的低分辨图像，所述方法包括：

根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列；

根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率；

基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息。

可选地，在本发明较佳实施例中，所述根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率的步骤包括：

通过所述光斑阵列的质心偏移计算单个波前两个方向上的斜率。

可选地，在本发明较佳实施例中，所述基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息的步骤包括：

基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原；

根据复原后的波前相位得到所观测目标的像差信息。

可选地，在本发明较佳实施例中，所述基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原的步骤包括：

基于单个波前两个方向上的斜率采用模式法对波前相位进行复原。

可选地，在本发明较佳实施例中，所述微透镜阵列中第(m,n)块微透镜在所述CCD探测器上产生的光斑阵列所对应的公式为：

其中，I_m,n(ξ,η)代表第(m,n)块微透镜所成图像的第(ξ，η)个像素值，和/>分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，H_m,n(u,v)为微透镜阵列的光瞳函数，P(ξ，η)为入瞳焦平面处光的复振幅的幅度，φ(ξ，η)为入瞳焦平面处光的波前相位。

可选地，在本发明较佳实施例中，所述根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率的步骤所对应的公式如下：

其中，上述估计表达式为M*N排列的微透镜阵列的波前斜率，δ_u、δ_v分别为两个方向上的偏移量，d为微透镜的直径。

本发明另一较佳实施例还提供一种成像系统像差检测装置，应用于像差检测仪，所述像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，所述微透镜阵列放置于待检测成像系统的焦面上，所述CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上，所述微透镜阵列用于对入瞳焦平面处光的复振幅进行分割，以在CCD探测器处形成观测目标的低分辨图像，所述装置包括：

光斑阵列形成模块，用于根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列；

斜率计算模块，用于根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率；

像差获得模块，用于基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息。

可选地，在本发明较佳实施例中，所述斜率计算模块根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率的方式包括：

通过所述光斑阵列的质心偏移计算单个波前两个方向上的斜率。

可选地，在本发明较佳实施例中，所述像差获得模块基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息的方式包括：

基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原；

根据复原后的波前相位得到所观测目标的像差信息。

可选地，在本发明较佳实施例中，所述像差获得模块基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原的方式包括：

基于单个波前两个方向上的斜率采用模式法对波前相位进行复原。

相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的成像系统像差检测方法及装置，其中，所述成像系统像差检测方法应用于像差检测仪，所述像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，所述微透镜阵列放置于待检测成像系统的焦面上，所述CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上，所述微透镜阵列用于对入瞳焦平面处光的复振幅进行分割，以在CCD探测器处形成观测目标的低分辨图像，所述方法包括：根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列；根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率；基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息。上述方法具有单次测量获得大视场成像系统像差的能力，同时还具有结构简单、体积小和对不同类型的像差进行分类测量的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的像差检测系统的结构示意图。

图2为本发明第一实施例提供的成像系统像差检测方法的流程示意图。

图3为图2中步骤S130的子步骤流程示意图。

图4为本发明第二实施例提供的像差检测的模块示意图。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1，与1为本发明较佳实施例提供的像差检测系统的结构示意图，所述像差检测系统包括待检测的成像系统及像差检测仪，为了方便说明在本较佳实施例中采用一透镜作为成像系统进行说明。所述像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，所述微透镜阵列放置在待检测成像系统(即，待检测透镜)的焦面上，所述CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上。上述微透镜阵列及CCD探测器构成一焦面哈特曼传感器。与传统哈特曼传感器相比减少了准直透镜，结构更为简单。所述微透镜阵列对入瞳焦平面处光的复振幅进行了分割，每块微透镜在探测器处均形成了观测目标的低分辨率图像。所述像差检测仪还包括与所述CCD探测器连接的计算设备，所述计算设备基于所述CCD探测器上的低分辨率图像进行像差检测。

第一实施例

请参照图2，图2是本发明较佳实施例提供的成像系统像差检测方法，下面对成像系统像差检测方法的具体实现步骤进行详尽的描述。

步骤S110，根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列。

定义入瞳处的光的复振幅为A(ξ,η)，焦面微透镜阵列处的复振幅为a(u,v)，P(ξ,η)为入瞳处的复振幅的幅度，φ(ξ,η)为入瞳处的波前相位，微透镜阵列的光瞳函数为H_m,n(u,v)，其中(m,n)表示的是微透镜所在的位置，(ξ,η)为入瞳平面上的坐标，(u,v)表示焦平面上的坐标，d为微透镜的直径。由透镜的傅里叶变换性质有：

A(ξ,η)＝P(ξ,η)×exp[jφ(ξ,η)]

其中，λ是波长，f是被测透镜的焦距。

第(m,n)块微透镜在CCD靶面上所产生的远场光斑为

其中，I_m,n(ξ,η)代表第(m,n)块微透镜所成图像的第(ξ,η)个像素值，和/>分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换。

步骤S120，根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率。

在本实施例中，通过所述光斑阵列的质心偏移计算单个波前两个方向上的斜率。

可选地，可采用以下公式计算得到单个波前两个方向上的斜率。

其中，上述估计表达式为M*N排列的微透镜阵列的波前斜率，δ_u、δ_v分别为两个方向上的偏移量，d为微透镜的直径。

步骤S130，基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息。

请参照图3，在本实施例中，步骤S130可以包括子步骤S131及子步骤S132。

子步骤S131，基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原。

子步骤S132，根据复原后的波前相位得到所观测目标的像差信息。

其中，子步骤S132基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原的步骤包括：

基于单个波前两个方向上的斜率采用模式法对波前相位进行复原。

由焦面哈特曼波前传感器和传统哈特曼波前传感器的原理可知，传统哈特曼波前传感器的微透镜阵列中，每一个微透镜对应着被测镜头的同一个视场，其视场θ由端缩束比M和微透镜阵列中单个子孔径的F数决定：

微透镜阵列中单个透镜的F数通常在8-10之间，缩束比M也为8-10的范围，此时传统哈特曼波前传感器的视场为0.57°-0.89°。而焦面哈特曼波前传感器的微透镜阵列中，每一个微透镜对应着被测镜头的不同视场。其视场θ与被测镜头的焦距f和CCD靶面尺寸L有关：

当CCD靶面尺寸为8mm、被测焦距为30mm-160mm范围时，此时焦面哈特曼波前传感器的视场为2.9°-15.2°。因此，基于焦面哈特曼波前传感器的成像系统像差检测仪与基于传统哈特曼波前传感器的成像系统像差检测仪相比，本申请提供的成像系统像差检测方法具有：

单次测量就可以实现对被测镜头的全视场像差检测。

不需要准直透镜，结构简单，体积小。

可以对不同类型的像差进行分类测量。

第二实施例

请参照图4，图4是本发明第二实施例提供的一种成像系统像差检测装置200的结构示意图。所述成像系统像差检测装置200应用于像差检测仪，所述像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，所述微透镜阵列放置于待检测成像系统的焦面上，所述CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上，所述微透镜阵列用于对入瞳焦平面处光的复振幅进行分割，以在CCD探测器处形成观测目标的低分辨图像，所述成像系统像差检测装置200包括：光斑阵列形成模块210、斜率计算模块220及像差获得模块230。

所述光斑阵列形成模块210，用于根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列。

在本实施例中，所述光斑阵列形成模块210用于执行图3中的步骤S110，关于所述光斑阵列形成模块210的具体描述可以参照步骤S110的描述。

所述斜率计算模块220，用于根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率。

在本实施例中，所述斜率计算模块220根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率的方式包括：

通过所述光斑阵列的质心偏移计算单个波前两个方向上的斜率。

在本实施例中，所述斜率计算模块220用于执行图3中的步骤S120，关于所述斜率计算模块220的具体描述可以参照步骤S120的描述。

所述像差获得模块230，用于基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息。

所述像差获得模块230基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息的方式包括：

基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原；

根据复原后的波前相位得到所观测目标的像差信息。

在本实施例中，可选地，所述像差获得模块230基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原的方式包括：

基于单个波前两个方向上的斜率采用模式法对波前相位进行复原。

在本实施例中，所述像差获得模块230用于执行图3中的步骤S130，关于所述像差获得模块230的具体描述可以参照步骤S130的描述。

综上所述，本发明提供的成像系统像差检测方法及装置，其中，所述成像系统像差检测方法应用于像差检测仪，所述像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，所述微透镜阵列放置于待检测成像系统的焦面上，所述CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上，所述微透镜阵列用于对入瞳焦平面处光的复振幅进行分割，以在CCD探测器处形成观测目标的低分辨图像，所述方法包括：根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列；根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率；基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息。上述方法具有单次测量获得大视场成像系统像差的能力，同时还具有结构简单、体积小和对不同类型的像差进行分类测量的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种成像系统像差检测方法，其特征在于，应用于像差检测仪，所述像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，所述微透镜阵列放置于待检测成像系统的焦面上，所述CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上，所述微透镜阵列用于对入瞳焦平面处光的复振幅进行分割，以在CCD探测器处形成观测目标的低分辨图像，所述方法包括：

根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列；

根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率；

基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息；

所述基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息的步骤包括：

基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原；

根据复原后的波前相位得到所观测目标的像差信息；

其中，所观测目标的像差信息包括每一个微透镜对应着被测镜头的不同视场；

其视场θ₁与被测镜头的焦距f和CCD靶面尺寸L满足：

2.如权利要求1所述的成像系统像差检测方法，其特征在于，所述根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率的步骤包括：

通过所述光斑阵列的质心偏移计算单个波前两个方向上的斜率。

3.如权利要求1所述的成像系统像差检测方法，其特征在于，所述基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原的步骤包括：

基于单个波前两个方向上的斜率采用模式法对波前相位进行复原。

4.如权利要求1-3任意一项所述的成像系统像差检测方法，其特征在于，所述微透镜阵列中第(m,n)块微透镜在所述CCD探测器上产生的光斑阵列所对应的公式为：

其中，I_m,n(ξ,η)代表第(m,n)块微透镜所成图像的第(ξ,η)个像素值，和/>分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，H_m,n(u,v)为微透镜阵列的光瞳函数，P(ξ,η)为入瞳焦平面处光的复振幅的幅度，φ(ξ,η)为入瞳焦平面处光的波前相位。

5.如权利要求4所述的成像系统像差检测方法，其特征在于，所述根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率的步骤所对应的公式如下：

其中，表达式为M*N排列的微透镜阵列的波前斜率，δ_u、δ_v分别为两个方向上的偏移量，d为微透镜的直径。

6.一种成像系统像差检测装置，其特征在于，应用于像差检测仪，所述像差检测仪包括微透镜阵列及CCD探测器，所述微透镜阵列放置于待检测成像系统的焦面上，所述CCD探测器放置在所述微透镜阵列的焦面上，所述微透镜阵列用于对入瞳焦平面处光的复振幅进行分割，以在CCD探测器处形成观测目标的低分辨图像，所述装置包括：

光斑阵列形成模块，用于根据各个孔径区域内CCD探测器上的低分辨率图像形成一光斑阵列；

斜率计算模块，用于根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率；

像差获得模块，用于基于单个波前两个方向上的斜率得到所观测目标的像差信息；

像差获得模块，还用于基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原；

根据复原后的波前相位得到所观测目标的像差信息；

其中，所观测目标的像差信息包括每一个微透镜对应着被测镜头的不同视场；

其视场θ₁与被测镜头的焦距f和CCD靶面尺寸L满足：

7.如权利要求6所述的成像系统像差检测装置，其特征在于，所述斜率计算模块根据所述光斑阵列计算单个波前两个方向上的斜率的方式包括：

通过所述光斑阵列的质心偏移计算单个波前两个方向上的斜率。

8.如权利要求6所述的成像系统像差检测装置，其特征在于，所述像差获得模块基于单个波前两个方向上的斜率对波前相位进行复原的方式包括：

基于单个波前两个方向上的斜率采用模式法对波前相位进行复原。