CN110879136A - 一种光学系统畸变测量方法及设备 - Google Patents

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王凤
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    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0257—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested

Abstract

本申请公开了一种光学系统畸变测量设备，包括激光器，用于产生激光；平行光转化装置，用于将激光转换为平行光；激光分束器，用于将平行光分成多束子平行光；待测镜头；位于待测镜头的焦平面的成像元件，用于对经过待测镜头的多束子平行光成像，得到光斑点阵图像；处理器，用于根据光斑点阵图像，确定待测镜头的畸变。激光分束器将平行光转换成多束子平行光，即产生多个不同视场的光束，多个光束经过待测镜头后在成像元件上形成光斑点阵图像，进而处理器确定待测镜头的畸变，实现不同视场畸变的同时测量，无需单独获取每个不同视场上的图像分别测量，缩短测量时间，提升效率，并且降低环境的干扰。此外，本申请还提供一种具有上述优点的测量方法。

Description

一种光学系统畸变测量方法及设备
技术领域
本申请涉及光学畸变测量技术领域，特别是涉及一种光学系统畸变测量方法及设备。
背景技术
光学系统畸变是指轴外点经过光学系统在高斯像面所成像点的位置与理想高斯像点的差异，这种像差不影响成像清晰度，但却影响成像的位置精度。畸变是限制光学量测准确性的重要因素之一，航空摄影、跟踪与测量等诸多领域对高效率、高精度畸变测量的需求越来越高。
目前，畸变测量方式主要有两种。一种是利用大口径平行光管、高精度网格板以及高精度转台来实现各个不同视场畸变的测量，由于需要对各个不同视场的畸变进行测量，使得测量耗时长，效率低；另一种是利用衍射光栅对畸变进行测量，使用一维衍射光栅产生具有不同视场的光束。由于固有的衍射角限制，光栅需要多次旋转，不同视场上的图像位置必须分别记录和分析，同样具有耗时长，测量效率低的缺点。并且，这两种方法由于测量过程基于时间域，畸变测量结果容易受温度等环境因素的影响，对环境要求较高。
因此，如何提高畸变测量效率且测量结果不易受环境因素的干扰是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种光学系统畸变测量方法及设备，以提高畸变测量效率，且测量结果不易受环境因素的干扰，测量准确性提高。
为解决上述技术问题，本申请提供一种光学系统畸变测量设备，包括：
激光器，用于产生激光；
平行光转化装置，用于将所述激光转换为平行光；
激光分束器，用于将所述平行光分成多束子平行光；
待测镜头；
位于所述待测镜头的焦平面的成像元件，用于对经过所述待测镜头的所述多束子平行光成像，得到光斑点阵图像；
处理器，用于根据所述光斑点阵图像，确定所述待测镜头的畸变。
可选的，所述平行光转化装置包括激光匀化器、星点板、平行光管；
所述激光匀化器用于匀化所述激光，得到匀化激光；
所述星点板用于过滤所述匀化激光，产生标准球面光，且所述星点板的针孔位于所述平行光管的焦平面；
所述平行光管，用于将所述标准球面光转换成平行光。
可选的，所述激光匀化器为毛玻璃板。
可选的，所述成像元件为CCD或者CMOS。
本申请还提供一种光学系统畸变测量方法，应用于上述光学系统畸变测量设备，包括：
获取光斑点阵图像，所述光斑点阵图像为由激光分束器形成的多束子平行光经过待测镜头形成的图像；
根据所述点阵图像确定所有光斑的质心位置；
根据所述质心位置确定所述待测镜头的理论焦距和主点偏移量；
根据所述理论焦距和所述主点偏移量确定位于光轴上的光斑的理论像高；
建立畸变检测模型，并根据所述质心位置和所述理论像高确定所述畸变检测模型中的畸变系数，以确定所述待测镜头的畸变。
可选的，所述根据所述点阵图像，确定所有光斑的质心位置包括：
根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置；
根据所述位置，确定所有所述光斑的质心位置。
可选的，在所述根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置之前，还包括：
对所述点阵图像进行去噪处理，得到去噪后点阵图像；
相应的，根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置包括：
根据所述去噪后点阵图像确定所有所述光斑的位置。
可选的，所述根据所述去噪后点阵图像确定所有所述光斑的位置包括：
利用模板匹配法或者空间对比度法，确定所有所述光斑的位置。
可选的，所述根据所述质心位置确定所述待测镜头的理论焦距和主点偏移量包括：
根据yc＝y0+f'tanwi，确定所述理论焦距和所述主点偏移量；
其中，yc为光斑质心坐标，y0为主点偏移量，f'为理论焦距，wi为激光分束器的角度。
可选的，所述畸变检测模型为：
AP＝Xc-X，
其中，Xc＝(xc,yc)为光斑的质心位置；X＝(xi,yi)为光斑的理论位置，P＝(k1k2)T为畸变系数，
Figure BDA0002313430750000031
本申请所提供的光学系统畸变测量设备，包括激光器，用于产生激光；平行光转化装置，用于将所述激光转换为平行光；激光分束器，用于将所述平行光分成多束子平行光；待测镜头；位于所述待测镜头的焦平面的成像元件，用于对经过所述待测镜头的所述多束子平行光成像，得到光斑点阵图像；处理器，用于根据所述光斑点阵图像，确定所述待测镜头的畸变。
可见，本申请中光学系统畸变测量设备中设置有激光器、平行光转化装置、激光分束器、待测镜头、成像元件，激光分束器将平行光转换成多束子平行光，即产生多个不同视场的光束，多个不同视场的光束经过待测镜头后在成像元件上形成光斑点阵图像，处理器根据斑点阵图像确定待测镜头的畸变，即实现所有不同视场畸变的同时测量，无需单独获取每个不同视场上的图像分别测量畸变，缩短畸变测量时间，提升畸变测量效率，并且降低环境的温度、噪声、振动的干扰，测量结果更准确。此外，本申请还提供一种具有上述优点的测量方法。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。
图1为本申请实施例所提供的光学系统畸变测量设备的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供光学系统畸变测量方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，目前测量光学系统的畸变时，一种是利用大口径平行光管、高精度网格板以及高精度转台来实现各个不同视场畸变的测量，另一种是利用衍射光栅对畸变进行测量，均具有测量耗时长，效率低的缺点，并且测量结果容易受温度等环境因素的影响。
有鉴于此，本申请提供了一种光学系统畸变测量设备，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的光学系统畸变测量设备的结构示意图，该设备包括：
激光器1，用于产生激光；
平行光转化装置2，用于将所述激光转换为平行光；
激光分束器3，用于将所述平行光分成多束子平行光；
待测镜头4；
位于所述待测镜头4的焦平面的成像元件5，用于对经过所述待测镜头4的所述多束子平行光成像，得到光斑点阵图像；
处理器6，用于根据所述光斑点阵图像，确定所述待测镜头4的畸变。
具体的，激光器1发射激光进入平行光转化装置2，从平行光转化装置2射出平行光，平行光经过激光分束器3后变成多束子平光，多束子平行光处于不同的视场中，多束子平行光再透过待测镜头4在成像元件5上形成多束子平行光的光斑点阵图像，处理器6根据光斑点阵图像就可得到不同视场下的畸变。
可选的，所述平行光转化装置2包括激光匀化器21、星点板22、平行光管23；所述激光匀化器21用于匀化所述激光，得到匀化激光；所述星点板22用于过滤所述匀化激光，产生标准球面光，且所述星点板22的针孔位于所述平行光管23的焦平面；所述平行光管23，用于将所述标准球面光转换成平行光。
需要说明的是，本实施例中对激光分束器3的分束激光数量不做具体限定，视情况而定。
需要说明的是，本实施例中对激光匀化器21不做具体限定，视情况而定。例如，所述激光匀化器21为毛玻璃板，或者专门制作的激光光束匀化装置，激光光束匀化装置的具体结构已为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述成像元件5为CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合元件)，但是本申请对此并不做具体限定，在本申请的其他实施例中，所述成像元件5还可以为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)。
本实施例中光学系统畸变测量设备中设置有激光器1、平行光转化装置2、激光分束器3、待测镜头4、成像元件5，激光分束器3将平行光转换成多束子平行光，即产生多个不同视场的光束，多个不同视场的光束经过待测镜头4后在成像元件5上形成光斑点阵图像，处理器6根据斑点阵图像确定待测镜头4的畸变，即实现所有不同视场畸变的同时测量，无需单独获取每个不同视场上的图像分别测量畸变，缩短畸变测量时间，提升畸变测量效率，并且不容易受环境的温度、噪声、振动的干扰，测量结果更准确。
本申请还提供一种光学系统畸变测量方法，应用于上述光学系统畸变测量设备，请参考图2，该方法包括：
步骤S101：获取光斑点阵图像，所述光斑点阵图像为由激光分束器形成的多束子平行光经过待测镜头形成的图像。
步骤S102：根据所述点阵图像确定所有光斑的质心位置。
具体的，光斑质心位置确定过程包括：
步骤S1021：根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置。
步骤S1022：根据所述位置，确定所有所述光斑的质心位置。
步骤S103：根据所述质心位置确定所述待测镜头的理论焦距和主点偏移量。
具体的，根据下式，确定理论焦距和主点偏移量：
yc＝y0+f'tanwi (1)
其中，yc为光斑质心坐标，y0为主点偏移量，f'为理论焦距，wi为激光分束器的角度。
利用多个方程组(不少于三个)，通过最小二乘法求得理论焦距和主点偏移量分别为：
Figure BDA0002313430750000061
Figure BDA0002313430750000071
式中，n为光斑的质心坐标数量或者分束器角度值的数量。
步骤S104：根据所述理论焦距和所述主点偏移量确定位于光轴上的光斑的理论像高。
具体的，根据下式得到
yi'＝y0+f'tanwi (4)
式中，yi'光斑的理论像高。
步骤S105：建立畸变检测模型，并根据所述质心位置和所述理论位置确定所述畸变检测模型中的畸变系数，以确定所述待测镜头的畸变。
具体的，所述畸变检测模型为：
AP＝Xc-X (5)
其中，Xc＝(xc,yc)为光斑的质心位置；X＝(xi,yi)为光斑的理论位置，P＝(k1k2)T，为畸变系数，
Figure BDA0002313430750000072
则有公式(4)可以得到：
Figure BDA0002313430750000073
将光斑的质心位置以及光斑的理论像高作为测试数据，即公式(6)中xi＝0，yi＝y'，通常选取多组数据(数据数量≥3)，根据公式(5)求解超定方程组，通过最小二乘法求得畸变系数P，从而确定畸变模型，进而可以确定光斑阵列中所有光斑理论位置的畸变大小，
本实施例中的光学系统畸变测量方法通过获取光斑点阵图像，所述光斑点阵图像为由激光分束器形成的多束子平行光经过待测镜头形成的图像；根据所述点阵图像确定所有光斑的质心位置；根据所述质心位置确定所述待测镜头的理论焦距和主点偏移量；根据所述理论焦距和主点偏移量确定位于光轴上光斑的理论像高；建立畸变检测模型，并根据所述质心位置和所述理论像高确定所述畸变检测模型中的畸变系数，以确定所述待测镜头的畸变，其中，光斑点阵图像是由激光分束器形成的多束子平行光经过待测镜头形成的图像，具有多个不同的视场，从而在确定待测镜头的畸变时实现所有不同视场畸变的同时测量，，缩短畸变测量时间，提升畸变测量效率，并且不容易受环境的温度、噪声、振动的干扰，测量结果更准确。
在本申请的一个实施例中，在所述根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置之前，还包括：
对所述点阵图像进行去噪处理，得到去噪后点阵图像；
相应的，根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置包括：
根据所述去噪后点阵图像确定所有所述光斑的位置。
具体的，可以采用阈值法对点阵图像进行去噪处理，提高图像的信噪比，从而进一步提升畸变测量结果的准确性。
具体的，阈值法可表示为：
Figure BDA0002313430750000081
式中，P(x,y)为点阵图像中光斑像素点(x,y)的光强值，T(x,y)为光强度阈值。
需要说明的是，T(x,y)的选取方法有图像灰度统计法、迭代法等方法。
需要使出的是，本实施例中对光斑的位置的确定方式不做具体限定，视情况而定。例如，可以利用模板匹配法或者空间对比度法，确定所有所述光斑的位置
下面以模板匹配法为例进行具体说明。
首先选取合适尺寸的窗口，一般窗口尺寸选为光斑尺寸的1.5倍，然后利用窗口在去噪后点阵图像上进行扫描，确定所有光斑的位置，记录窗口的位置即为光斑的位置。可以理解的是，确定的光斑位置为光斑的大概位置。
进一步地，根据光斑的位置确定所有光斑的质心位置的过程为：在每个光斑所在的窗口处进行一阶距中心计算，便可得到高精度的光斑质心位置，质心位置表示为：
Figure BDA0002313430750000091
式中，xc为质心位置的横坐标，yc为质心位置的纵坐标，Iij为去噪后点阵图像上(i,j)光斑的光强度值，Wx为窗口的长度，Wy为窗口的宽度，xa和ya分别为窗口左下角的横坐标和纵坐标。xb和yb为(i,j)光斑像素点的横坐标和纵坐标。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的光学系统畸变测量方法及设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学系统畸变测量设备，其特征在于，包括：
激光器，用于产生激光；
平行光转化装置，用于将所述激光转换为平行光；
激光分束器，用于将所述平行光分成多束子平行光；
待测镜头；
位于所述待测镜头的焦平面的成像元件，用于对经过所述待测镜头的所述多束子平行光成像，得到光斑点阵图像；
处理器，用于根据所述光斑点阵图像，确定所述待测镜头的畸变。
2.如权利要求1所述的光学系统畸变测量设备，其特征在于，所述平行光转化装置包括激光匀化器、星点板、平行光管；
所述激光匀化器用于匀化所述激光，得到匀化激光；
所述星点板用于过滤所述匀化激光，产生标准球面光，且所述星点板的针孔位于所述平行光管的焦平面；
所述平行光管，用于将所述标准球面光转换成平行光。
3.如权利要求2所述的光学系统畸变测量设备，其特征在于，所述激光匀化器为毛玻璃板。
4.如权利要求1所述的光学系统畸变测量设备，其特征在于，所述成像元件为CCD或者CMOS。
5.一种光学系统畸变测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至4任一项所述的光学系统畸变测量设备，包括：
获取光斑点阵图像，所述光斑点阵图像为由激光分束器形成的多束子平行光经过待测镜头形成的图像；
根据所述点阵图像确定所有光斑的质心位置；
根据所述质心位置确定所述待测镜头的理论焦距和主点偏移量；
根据所述理论焦距和所述主点偏移量确定位于光轴上的光斑的理论像高；
建立畸变检测模型，并根据所述质心位置和所述理论像高确定所述畸变检测模型中的畸变系数，以确定所述待测镜头的畸变。
6.如权利要求5所述的光学系统畸变测量方法，其特征在于，所述根据所述点阵图像，确定所有光斑的质心位置包括：
根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置；
根据所述位置，确定所有所述光斑的质心位置。
7.如权利要求6所述的光学系统畸变测量方法，其特征在于，在所述根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置之前，还包括：
对所述点阵图像进行去噪处理，得到去噪后点阵图像；
相应的，根据所述点阵图像确定所有所述光斑的位置包括：
根据所述去噪后点阵图像确定所有所述光斑的位置。
8.如权利要求7所述的光学系统畸变测量方法，其特征在于，所述根据所述去噪后点阵图像确定所有所述光斑的位置包括：
利用模板匹配法或者空间对比度法，确定所有所述光斑的位置。
9.如权利要求6所述的光学系统畸变测量方法，其特征在于，所述根据所述质心位置确定所述待测镜头的理论焦距和主点偏移量包括：
根据yc＝y0+f'tanwi，确定所述理论焦距和所述主点偏移量；
其中，yc为光斑质心坐标，y0为主点偏移量，f'为理论焦距，wi为激光分束器的角度。
10.如权利要求6所述的光学系统畸变测量方法，其特征在于，所述畸变检测模型为：
AP＝Xc-X，
其中，Xc＝(xc,yc)为光斑的质心位置；X＝(xi,yi)为光斑的理论位置，P＝(k1 k2)T为畸变系数，
Figure FDA0002313430740000021
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