CN111650747B - 平行光管离焦像差实时校正方法及装置 - Google Patents

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Abstract

为了解决相机定焦和真空像面预置时，平行光管存在离焦像差的问题，本发明提出一种平行光管离焦像差实时校正方法及装置，通过将平行光管在最佳焦面位置处波像差的软件仿真结果和实际标定结果进行比对，获取平行光管离焦像差的校正系数，提高离焦像差校正的精度，能够有效克服平行光管离焦像差所带来的不利影响，为相机定焦和真空像面预置工作提供不同离焦条件下所模拟目标像质均能满足使用要求的平行光管。

Description

平行光管离焦像差实时校正方法及装置
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种可实时校正平行光管离焦像差的方法及装置，适用于平行光管焦面靶标需离焦使用情况下的像差补偿，特别适用于相机实验室精密定焦和真空像面预置时补偿平行光管离焦像差所引入的误差。
背景技术
平行光管是光学系统装调和光电检测的重要设备，主要用来产生平行光，可模拟无穷远目标。平行光管焦面处放置星点板、条纹板、玻罗板、鉴别率板等光学元件，可以对光学系统和相机不同参数进行检测。通过配用不同的显微目镜，可以完成透镜或透镜组的焦距、鉴别率、成像质量等多种检测任务。在相机整机阶段，配合二维转台等设备，可以检测相机焦距，畸变，不同视场的弥散斑、MTF等指标。
平行光管一般应用中，其焦面靶标处于平行光管的最佳焦面位置处，此时，平行光管的像质也处于设计时的完好校正状态，所模拟目标近似为完善物，像质满足使用要求。而在平行光管的一些实际应用中，其焦面靶标需要偏离最佳焦面位置使用，如相机定焦时，需要沿平行光管光轴前后移动焦面靶板，模拟不同距离的目标，相机对相应距离的目标成像，并对所成图像进行像质评价，拟合得到相机像质最好时所对应的平行光管焦面位置，当其与平行光管最佳焦面位置一致(或小于定焦误差要求)时，相机定焦工作完成；又如空间相机真空像面预置时，也需要平行光管焦面靶板沿光轴方向前后移动，相机对平行光管所模拟不同距离目标进行成像，并对其成像质量进行拟合，从而得到相机焦面离焦量，当其与真空预置量相等时(或小于预置误差要求)时，完成空间相机的焦面预置工作。由于定焦和真空像面预置工作时，平行光管焦面靶板均需离焦使用，其离焦后所模拟的不同距离目标经被测相机成像后的像质必然受到平行光管离焦像差的影响，进而造成定焦和真空像面预置精度的降低，与此同时，由于不同结构形式的平行光管(包括折射型、折反型和反射型)离焦像差特性的差异，必将导致不同平行光管对相机定焦和真空像面预置结果的不同。因此，对平行光管离焦像差进行实时校正具有重要意义。
发明内容
基于上述背景技术，为了解决相机定焦和真空像面预置时，平行光管存在离焦像差的问题，本发明提出一种平行光管离焦像差实时校正方法及装置，以有效克服平行光管离焦像差所带来的不利影响，为相机定焦和真空像面预置工作提供不同离焦条件下所模拟目标像质均能满足使用要求的平行光管。
本发明的技术解决方案如下：
平行光管离焦像差实时校正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
第一步：基于平行光管中各光学元件的实测光学参数和几何位置参数，建立平行光管的仿真模型；所述光学参数包括折射率、面形；所述几何位置参数包括间隔、偏心量；
第二步：分别通过软件仿真和标定实测获取平行光管最佳焦面位置时不同阶数Zernike多项式的系数，将软件仿真结果与标定实测得到的结果进行比对，得到各阶Zernike多项式系数的校正系数；
第三步：通过光学设计软件仿真，获取平行光管焦面靶板离焦不同距离时的波像差，得到相应的Zernike多项式系数，此即平行光管的离焦像差，并用第二步得到的校正系数对该离焦像差进行校正，根据校正后得到的真实离焦像差WDefocus对相应的像差进行校正补偿。
进一步地，第二步具体为：
2.1)通过光学设计软件仿真，获取平行光管处于最佳焦面位置时的波像差：
Figure GDA0002921199920000031
式中：W为波像差；Anm为Zernike多项式系数；Unm为Zernike多项式。
2.2)采用自准直干涉法标定平行光管处于最佳焦面位置时的实际波像差，标定结果用下式表示：
Figure GDA0002921199920000032
式中：W'为平行光管处于最佳焦面位置时波像差的标定结果；Anm'为平行光管处于最佳焦面位置时各阶Zernike多项式系数的标定结果；
2.3)计算Zernike多项式系数的校正系数：
Rnm＝(Anm')/Anm
式中：Rnm为各阶Zernike多项式系数的校正系数。
进一步地，第三步具体为：
3.1)将平行光管实际使用时的离焦量，输入光学设计软件中，得到离焦像差，并利用第二步得到的校正系数Rnm对所述离焦像差进行校正，得到平行光管的真实离焦像差：
Figure GDA0002921199920000033
式中：WDefocus为平行光管的真实离焦像差；(Anm)Defocus为平行光管在离焦情况下的Zernike多项式系数软件仿真结果；
3.2)根据所述平行光管的真实离焦像差WDefocus，实时校正补偿平行光管的离焦像差。
本发明还提供了一种实现上述平行光管离焦像差实时校正方法的平行光管离焦像差实时校正装置，其特殊之处在于：包括变形镜、条纹目标和相机和计算机；
变形镜设置在被校正的平行光管的焦面和离焦面最近的平行光管中的镜片之间，其口径能有效包含所述平行光管各视场光束在其对应位置处的光斑尺寸；
条纹目标位于变形镜的一侧，其上设有周期分布的亮暗条纹；
相机位于变形镜的另一侧，用于采集经变形镜反射后的条纹目标图像；
计算机同时与变形镜和相机相连接；计算机对所述平行光管仿真建模，获取平行光管的真实离焦像差WDefocus，将真实离焦像差WDefocus反馈给计算机上装载的变形镜控制软件，由变形镜控制软件控制变形镜产生相应的校正面形，从而驱动变形镜对离焦像差进行校正补偿；
计算机还用于处理相机所采集的条纹目标图像，根据条纹目标图像解算出变形镜的真实面形并反馈给所述变形镜控制软件，变形镜控制软件根据计算机解算出的变形镜的真实面形控制变形镜的变形量输出，形成对变形镜面形的闭环控制。
进一步地，所述变形镜表面法线与所述平行光管光轴成45°夹角，使平行光管光轴产生90°的折转。
本发明的优点在于：
1.本发明能够对平行光管的离焦像差进行实时校正，有效保证平行光管模拟有限远目标时的像质。
2.本发明通过将平行光管在最佳焦面位置处波像差的软件仿真结果和实际标定结果进行比对，获取平行光管离焦像差的校正系数，提高离焦像差校正的精度。
3.本发明在利用变形镜的面形变化对平行光管离焦像差实时校正的过程中，通过对变形镜的面形进行闭环控制，能够有效保证像差校正的有效性。
4.本发明通过对平行光管离焦像差进行实时校正，可以提高平行光管离焦范围，提升平行光管的性能。
附图说明
图1是本发明平行光管离焦像差实时校正方法的流程图。
图2是本发明平行光管离焦像差实时校正装置的原理示意图。
图3是平行光管焦面最佳位置处波像差的标定原理示意图。
图4是变形镜面形闭环控制原理示意图。
附图标记说明：
1-平行光管；2-变形镜；3-条纹目标；4-相机；5-计算机；6-干涉仪；7-平面反射镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所提供的平行光管离焦像差实时校正方法，包括以下步骤：
第一步：基于平行光管中各光学元件的实测光学参数和几何位置参数，建立平行光管的仿真模型，具体方法为：
在平行光管各零部件加工装配阶段，通过查阅设备资料或实测的方式，获取构成平行光管的各光学元件的光学参数(包括折射率、面形)和几何位置参数(包括间隔、偏心量)的实测数据，并将实测数据输入到光学设计软件中，建立融合平行光管各光学元件实测数据的仿真模型。
第二步：分别通过软件仿真和标定实测获取平行光管最佳焦面位置时不同阶数Zernike多项式的系数，将软件仿真结果与标定实测得到的结果进行比对，得到各阶Zernike多项式系数的校正系数，具体方法为：
2.1)通过光学设计软件仿真可以得到平行光管处于最佳焦面位置时的波像差：
Figure GDA0002921199920000061
式中：W为波像差；Anm为Zernike多项式系数；Unm为Zernike多项式。
2.2)采用自准直干涉法标定平行光管处于最佳焦面位置时的实际波像差，标定光路如图3所示，标定时，将变形镜2的变形量设置为0，处于平行光管1焦面附近的干涉仪6发出的激光，经平行光管1准直后，出射平行光，再经平面反射镜7反射回干涉仪6，形成自准直光路，从而检测平行光管1的波像差；
标定结果用下式表示：
Figure GDA0002921199920000062
式中：W'为平行光管处于最佳焦面位置时波像差的标定结果；Anm'为平行光管处于最佳焦面位置时Zernike多项式系数的标定结果；
2.3)计算软件仿真与实测结果所得到的各阶Zernike多项式系数之间的校正系数：
Rnm＝(Anm')/Anm
式中：Rnm为各阶Zernike多项式系数的校正系数。
第三步：通过光学设计软件仿真，获取平行光管焦面靶板离焦不同距离时的波像差，得到相应的Zernike多项式系数，此即平行光管的离焦像差，并用第二步得到的校正系数对该离焦像差进行校正，根据校正后得到的真实离焦像差WDefocus对相应的像差进行校正补偿，具体方法为：
3.1)将平行光管实际使用时的离焦量，输入光学设计软件中，得到离焦像差，并利用第二步得到的校正系数Rnm对该离焦像差进行校正，得到平行光管的真实离焦像差：
Figure GDA0002921199920000071
式中：WDefocus为平行光管的真实离焦像差；(Anm)Defocus为平行光管在离焦情况下的Zernike多项式系数的软件仿真结果；
3.2)根据所述平行光管的真实离焦像差WDefocus，实时校正补偿平行光管的离焦像差。
如图2所示，实现上述实时校正方法的平行光管离焦像差实时校正装置包括变形镜2、条纹目标3、相机4和计算机5。
变形镜2设置在被校正的平行光管1的焦面和离焦面最近的平行光管1中的镜片之间，其口径能有效包含所述平行光管1各视场光束在其对应位置处的光斑尺寸；变形镜2表面法线与所述平行光管1光轴成45°夹角，使平行光管1光轴产生90°的折转。变形镜2表面法线与平行光管1光轴成45°夹角，能够避免平行光管模拟目标的几何失真，同时也有利于光路装调。
条纹目标3位于变形镜2的一侧，其上设有周期分布的亮暗条纹；
相机4位于变形镜2的另一侧，用于采集经变形镜2反射后的条纹目标图像；
计算机5同时与变形镜2和相机4相连接。
利用计算机5对平行光管1进行仿真建模，获取平行光管1的真实离焦像差WDefocus，将真实离焦像差WDefocus反馈给计算机5上装载的变形镜控制软件，由变形镜控制软件控制变形镜2产生相应的校正面形，从而驱动变形镜2对离焦像差进行校正补偿，以保证平行光管模拟有限远距离目标时的像质。
计算机5还用于处理相机4所采集的经变形镜2反射后的条纹目标3的图像，根据条纹目标3的图像解算出变形镜2的真实面形并反馈给变形镜控制软件，形成对变形镜2真实面形的闭环控制，如图4所示。
整套校正装置处于图2中所示的三维坐标系中，其中，变形镜2、条纹目标3和相机4之间的几何位置关系需精密标定，便于采用条纹投影法实时标定变形镜2的面形，使其与平行光管1离焦像差互补。

Claims (5)

1.平行光管离焦像差实时校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：基于平行光管中各光学元件的实测光学参数和几何位置参数，建立平行光管的仿真模型；所述光学参数包括折射率、面形；所述几何位置参数包括间隔、偏心量；
第二步：分别通过软件仿真和标定实测获取平行光管最佳焦面位置时不同阶数Zernike多项式的系数，将软件仿真结果与标定实测得到的结果进行比对，得到各阶Zernike多项式系数的校正系数；
第三步：通过光学设计软件仿真，获取平行光管焦面靶板离焦不同距离时的波像差，得到相应的Zernike多项式系数，此即平行光管的离焦像差，并用第二步得到的校正系数对该离焦像差进行校正，根据校正后得到的真实离焦像差WDefocus对相应的像差进行校正补偿。
2.根据权利要求1所述的平行光管离焦像差实时校正方法，其特征在于，
第二步具体为：
2.1)通过光学设计软件仿真，获取平行光管处于最佳焦面位置时的波像差：
Figure FDA0002921199910000011
式中：W为波像差；Anm为Zernike多项式系数；Unm为Zernike多项式；
2.2)采用自准直干涉法标定平行光管处于最佳焦面位置时的实际波像差，标定结果用下式表示：
Figure FDA0002921199910000012
式中：W'为平行光管处于最佳焦面位置时波像差的标定结果；Anm'为平行光管处于最佳焦面位置时各阶Zernike多项式系数的标定结果；
2.3)计算Zernike多项式系数的校正系数：
Rnm＝(Anm')/Anm
式中：Rnm为各阶Zernike多项式系数的校正系数。
3.根据权利要求1所述的平行光管离焦像差实时校正方法，其特征在于：
第三步具体为：
3.1)将平行光管实际使用时的离焦量，输入光学设计软件中，得到离焦像差，并利用第二步得到的校正系数Rnm对所述离焦像差进行校正，得到平行光管的真实离焦像差：
Figure FDA0002921199910000021
式中：WDefocus为平行光管的真实离焦像差；(Anm)Defocus为平行光管在离焦情况下的Zernike多项式系数软件仿真结果；
3.2)根据所述平行光管的真实离焦像差WDefocus，实时校正补偿平行光管的离焦像差。
4.实现权利要求1-3任一所述平行光管离焦像差实时校正方法的平行光管离焦像差实时校正装置，其特征在于：包括变形镜(2)、条纹目标(3)和相机(4)和计算机(5)；
变形镜(2)设置在被校正的平行光管(1)的焦面和离焦面最近的平行光管(1)中的镜片之间，其口径能有效包含所述平行光管(1)各视场光束在其对应位置处的光斑尺寸；
条纹目标(3)位于变形镜(2)的一侧，其上设有周期分布的亮暗条纹；
相机(4)位于变形镜(2)的另一侧，用于采集经变形镜(2)反射后的条纹目标图像；
计算机(5)同时与变形镜(2)和相机(4)相连接；计算机(5)对所述平行光管(1)仿真建模，获取平行光管(1)的真实离焦像差WDefocus，将真实离焦像差WDefocus反馈给计算机(5)上装载的变形镜控制软件，由变形镜控制软件控制变形镜(2)产生相应的校正面形，从而驱动变形镜(2)对离焦像差进行校正补偿；
计算机(5)还用于处理相机(4)所采集的条纹目标图像，根据条纹目标图像解算出变形镜(2)的真实面形并反馈给所述变形镜控制软件，变形镜控制软件根据计算机解算出的变形镜(2)的真实面形控制变形镜(2)的变形量输出，形成对变形镜(2)面形的闭环控制。
5.根据权利要求4所述的平行光管离焦像差实时校正装置，其特征在于：所述变形镜(2)表面法线与所述平行光管(1)光轴成45°夹角，使平行光管(1)光轴产生90°的折转。
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