CN111812836A - 大口径大视场相机的标校装调方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种大口径大视场相机的标校装调方法、装置、设备及介质，包括：针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；在初步对准后，获取相机中各个光学元件的调节量；根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；通过训练好的神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据当前所需调节器装调各个光学元件。本申请在系统使能阶段完成初步对准后，根据波前传感所得信息精细调整结构位置，终端探测器可以获得较好的波前质量，得到更高对比度的图像，进而提高望远镜对深空领域的观测精度。

Description

大口径大视场相机的标校装调方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及相机标校装调领域，特别是涉及一种大口径大视场相机的标校装调方法、装置、设备及介质。

背景技术

望远镜口径的增加不仅有效地提高对临近目标的分辨能力，同时还以平方规律提升望远镜的集光能力，有效提升暗弱目标成像信噪比、拓展极限探测能力，最终实现对更加深远的宇宙的探索。因此，大口径大视场望远镜是未来验证宇宙学最新理论、增加时域天文等领域学术话语权的关键。

大口径大视场望远镜在近几十年来发展获得了飞速发展，为了获得更高的巡天效率与集光能力，其口径与视场都在不断扩大。主动光学作为大口径大视场望远镜的关键技术，已经获得了广泛的应用。国外已经研制并成功运行多台大口径大视场望远镜，八米级的LSST已经投入建设，而国内尚未开展两米以上的大视场望远镜研究。为了进一步发挥大口径大视场望远镜的探测能力，通过主动光学对望远镜中的各个主要部件进行独立、实时的面形校正与姿态控制，不仅可以降低对光学加工、系统装配精度的要求，还可以有效地放宽对大型跟踪架刚度的要求，降低系统运动惯量。相对于高分辨成像望远镜，大口径大视场望远镜观测任务更加紧张，更长的观测时间会直接影响结果为所面临的外部观测环境更加的恶劣。

在当前的大口径透射系统中，大口径大视场望远镜的终端为一台大口径大视场相机，由于大口径大视场望远镜需要在整个视场中均获得较高的成像质量，大口径大视场望远镜对系统对准的要求高，需要同时保证轴外视场的像差，而目前大口径大视场相机还没有适当的校标装调方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大口径大视场相机的标校装调方法、装置、设备及介质，可以完成相机的装调与校标，提高望远镜对深空领域的观测精度。其具体方案如下：

一种大口径大视场相机的标校装调方法，包括：

针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；

在初步对准后，获取所述相机中各个光学元件的调节量；

根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；

以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以所述相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；

通过训练好的所述神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据得到的所述当前所需调节器装调所述相机中各个光学元件。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法中，对校标光源板和相机进行初步对准，具体包括：

对测量光路进行自准直，检验标校光源板中各光源，使成的像均在相机中的靶面上；

通过激光跟踪仪定位测量，使所述标校光源板与所述相机光轴重合，并调节所述靶面与所述标校光源板之间的倾斜量，完成初步对准。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法中，建立神经网络，具体包括：

建立刚体变换矩阵，将像素点坐标转换为与所述相机中的透镜相同的XYZ坐标中。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法中，所述波前误差采用Zernike多项式表达。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法中，对于运动学约束的光学元件，获取的所述调节量为调节机构的输出值；对于准运动学约束的光学元件，获取的所述调节量为紧固件力矩。

本发明实施例还提供了一种大口径大视场相机的标校装调装置，包括：

初步对准模块，用于针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；

调节量获取模块，用于在初步对准后，获取所述相机中各个光学元件的调节量；

波前误差获得模块，用于根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；

神经网络训练模块，用于以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以所述相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；

神经网络解算模块，用于通过训练好的所述神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据得到的所述当前所需调节器装调所述相机中各个光学元件。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调装置中，所述初步对准模块，具体用于对测量光路进行自准直，检验标校光源板中各光源，使成的像均在相机中的靶面上；通过激光跟踪仪定位测量，使所述标校光源板与所述相机光轴重合，并调节所述靶面与所述标校光源板之间的倾斜量，完成初步对准。

本发明实施例还提供了一种大口径大视场相机的标校装调设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种大口径大视场相机的标校装调方法、装置、设备及介质，包括：针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；在初步对准后，获取所述相机中各个光学元件的调节量；根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以所述相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；通过训练好的所述神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据得到的所述当前所需调节器装调所述相机中各个光学元件。

本发明在系统使能阶段完成初步对准后，通过曲率传感的方式，获得不同视场像差，并建立各个光学元件调节量与像差的对应关系来确定神经网络，基于波前传感所得到的不同视场像差，通过神经网络反解得到各个光学元件的当前所需调节量，根据反解得到的当前所需调节量来精细调整、主动校正各元件的位置，终端探测器可以获得较好的波前质量，得到更高对比度的图像，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的大口径大视场相机的标校装调方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的校标光源板、大口径大视场相机、探测器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的曲率传感的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的大口径大视场相机的标校装调装置的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种大口径大视场相机的标校装调方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101、针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；

S102、在初步对准后，获取相机中各个光学元件的调节量；

具体地，步骤S102需要驱动对应单个自由度的光学元件，对于运动学约束的光学元件，获取的调节量为调节机构的输出值；对于准运动学约束的光学元件，获取的调节量为紧固件力矩；

S103、根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；

需要说明的是，光学系统设计误差累计且点光源不再位于无限远处决定了星点像的误差值较大，因此需要一种高动态范围，渐晕影响小的波前检测方法，本发明提供的是基于离焦星点像形态学的分析方法，也就是说，利用曲率传感获得对应视场的波前误差可以理解为各个视场所测得的离焦星点像对应的像差；

S104、以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；

可以理解的是，不同像差所对应的特征形态学指标均不同，不同的形态学指标随着离焦量的改变，其增加的敏感度也不同，因此本发明基于光学仿真模型，采用神经网路建模的方式，利用其强大的非线性建模能力，实现系统建模，通过神经网络模型处理大量数据，具有极大的灵活性和自适应性；

S105、通过训练好的神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据得到的当前所需调节器装调相机中各个光学元件。

需要说明的是，大口径大视场望远镜终端为一台大口径相机，其外部结构为镜室，内部包括大透镜与靶面(即探测器)，利用空间测量和相位反演算法处理共轭图像，得到图像特性(波前相位和位置)的过程，可实现对单个大透镜与镜室间的对准，也可测得校正镜组系统中的各项误差。

在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法中，在系统使能阶段完成初步对准后，通过曲率传感的方式，获得不同视场像差，并建立各个光学元件调节量与像差的对应关系来确定神经网络，基于波前传感所得到的不同视场像差，通过神经网络反解得到各个光学元件的当前所需调节量，根据反解得到的当前所需调节量来精细调整、主动校正各元件的位置，终端探测器可以获得较好的波前质量，得到更高对比度的图像，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法中，步骤S101对校标光源板和相机进行初步对准，具体包括：对测量光路进行自准直，检验标校光源板中各光源，使成的像均在相机中的靶面上；通过激光跟踪仪定位测量，使标校光源板与相机光轴重合，并调节靶面与标校光源板之间的倾斜量，完成初步对准。

图2示出了校标光源板1具有多个光源，相机中各光学元件2和靶面3。在上述步骤中对测量光路进行自准直，针对不同视场进行检测所用的光源，均保证可以成像于靶面之上。通过激光跟踪仪定位测量，保证检测所使用设备(标校光源板)与被调节相机光轴尽量重合，防止调节过程中，光斑偏出视场。同理，通过激光跟踪仪调节探测器与标校光源板间的倾斜量，保证检测设备测量光路完成自准直后开始数据收集。在此，采用激光跟踪仪作为位置反馈设备。

下面以图3为例，对本发明实施例提供的上述步骤S103中的曲率传感原理进行详细说明：

光瞳处波前局部发生曲率变化，所对应的焦内像与焦外像的光强分布随之会发生对应的变化。根据近场电磁波的传输方程，可以解算出波前信息，如式(1)所示：

其中，

为强度，

为相位，▽为梯度算子，得到的结果为斜率，▽²为拉普拉斯算子，得到的结果为曲率。

为光瞳内坐标，

为像面内的光瞳坐标，在上式中默认γ＝1。可见，其结果与斜率曲率均有关。

对于自适应光学系统，一般离焦量仅为几个焦深，离焦星点像十分接近光瞳形状，相减后，可以认为：

其中，R为光斑的半径。

故式(1)通过近似可得式(2)：

其中，P₁和P₂是在焦平面两侧的离焦量为l的两个对称平面，Δz为P₁P₂共轭位置相对入瞳的距离，如式(3)所示：

Δz＝f(f-l)/l (3)

设

带入式(2)可以得到式(4)。

对于式(4)进行泊松方程的求解即可；在此，利用一半的口径，对全口径的波前进行估计。

经过快速傅里叶变换

故可得：

以P₁为例，焦面与瞳面之间的转换关系如式(6)所示，根据转换关系在P₁位置所得到的光强分布为

在P₂位置所得到的光强分布为

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法中，步骤S104建立神经网络，具体可以包括：建立刚体变换矩阵，将像素点(如CCD像素点)坐标转换为与相机中的透镜相同的XYZ坐标中。接下来对每一个图像进行独立的相位反演计算。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调方法中，波前误差可以采用Zernike多项式表达。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种大口径大视场相机的标校装调装置，由于该大口径大视场相机的标校装调装置解决问题的原理与前述一种大口径大视场相机的标校装调方法相似，因此该大口径大视场相机的标校装调装置的实施可以参见大口径大视场相机的标校装调方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的大口径大视场相机的标校装调装置，如图4所示，具体包括：

初步对准模块11，用于针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；

调节量获取模块12，用于在初步对准后，获取相机中各个光学元件的调节量；

波前误差获得模块13，用于根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；

神经网络训练模块14，用于以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；

神经网络解算模块15，用于通过训练好的神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据得到的当前所需调节器装调相机中各个光学元件。

在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调装置中，可以通过上述五个模块的相互作用，在系统使能阶段完成初步对准，通过曲率传感的方式获得不同视场像差，并建立各个光学元件调节量与像差的对应关系来确定神经网络，基于波前传感所得到的不同视场像差，通过神经网络反解得到各个光学元件的当前所需调节量，根据反解得到的当前所需调节量来精细调整、主动校正各元件的位置，终端探测器可以获得较好的波前质量，得到更高对比度的图像，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场相机的标校装调装置中，初步对准模块11，具体可以用于对测量光路进行自准直，检验标校光源板中各光源，使成的像均在相机中的靶面上；通过激光跟踪仪定位测量，使标校光源板与相机光轴重合，并调节靶面与标校光源板之间的倾斜量，完成初步对准。

关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

相应的，本发明实施例还公开了一种大口径大视场相机的标校装调设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现前述实施例公开的大口径大视场相机的标校装调方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

进一步的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现前述公开的大口径大视场相机的标校装调方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

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、设备、存储介质而言，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。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本发明实施例提供的一种大口径大视场相机的标校装调方法、装置、设备及介质，包括：针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；在初步对准后，获取所述相机中各个光学元件的调节量；根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以所述相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；通过训练好的所述神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据得到的所述当前所需调节器装调所述相机中各个光学元件。本发明在系统使能阶段完成初步对准后，通过曲率传感的方式，获得不同视场像差，并建立各个光学元件调节量与像差的对应关系来确定神经网络，基于波前传感所得到的不同视场像差，通过神经网络反解得到各个光学元件的当前所需调节量，根据反解得到的当前所需调节量来精细调整、主动校正各元件的位置，终端探测器可以获得较好的波前质量，得到更高对比度的图像，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的大口径大视场相机的标校装调方法、装置、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种大口径大视场相机的标校装调方法，其特征在于，包括：

针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；

在初步对准后，获取所述相机中各个光学元件的调节量；

根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；

以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以所述相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；

通过训练好的所述神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据得到的所述当前所需调节器装调所述相机中各个光学元件。

2.根据权利要求1所述的大口径大视场相机的标校装调方法，其特征在于，对校标光源板和相机进行初步对准，具体包括：

对测量光路进行自准直，检验标校光源板中各光源，使成的像均在相机中的靶面上；

通过激光跟踪仪定位测量，使所述标校光源板与所述相机光轴重合，并调节所述靶面与所述标校光源板之间的倾斜量，完成初步对准。

3.根据权利要求2所述的大口径大视场相机的标校装调方法，其特征在于，建立神经网络，具体包括：

建立刚体变换矩阵，将像素点坐标转换为与所述相机中的透镜相同的XYZ坐标中。

4.根据权利要求3所述的大口径大视场相机的标校装调方法，其特征在于，所述波前误差采用Zernike多项式表达。

5.根据权利要求1所述的大口径大视场相机的标校装调方法，其特征在于，对于运动学约束的光学元件，获取的所述调节量为调节机构的输出值；对于准运动学约束的光学元件，获取的所述调节量为紧固件力矩。

6.一种大口径大视场相机的标校装调装置，其特征在于，包括：

初步对准模块，用于针对不同视场，对校标光源板和相机进行初步对准；

调节量获取模块，用于在初步对准后，获取所述相机中各个光学元件的调节量；

波前误差获得模块，用于根据传输方程求解曲率传感，利用曲率传感获得对应视场的波前误差；

神经网络训练模块，用于以两幅强度图像分布所获得的波前误差为输入，以所述相机中各个光学元件的调节量为输出，建立并训练神经网络；

神经网络解算模块，用于通过训练好的所述神经网络解算各个视场的低阶像差，得到当前所需调节量，并根据得到的所述当前所需调节器装调所述相机中各个光学元件。

7.根据权利要求6所述的大口径大视场相机的标校装调方法，其特征在于，所述初步对准模块，具体用于对测量光路进行自准直，检验标校光源板中各光源，使成的像均在相机中的靶面上；通过激光跟踪仪定位测量，使所述标校光源板与所述相机光轴重合，并调节所述靶面与所述标校光源板之间的倾斜量，完成初步对准。

8.一种大口径大视场相机的标校装调设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述的大口径大视场相机的标校装调方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的大口径大视场相机的标校装调方法。

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