CN111912607A - 一种大口径光学系统mtf测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

为解决传统的大口径光学系统MTF的检测方式，测试精度易受大口径平行光管中光学元件面形影响、抗扰动能力差以及测试成本高的技术问题，本发明提供了一种大口径光学系统MTF测量装置及方法。本发明使用小口径平面反射镜作为参考平面反射镜，主动式哈特曼波前传感器作为波前测量设备，将小口径平面反射镜移动到大口径光学系统各个子孔径位置上，使用主动式哈特曼波前传感器获取各个子孔径的波像差。当全口径被覆盖完全后，采用子孔径拼接算法拼接处理各子孔径波像差数据得出全口径波像差，全口径波像差经过数值计算后便能转化为光学系统的MTF值。本发明避免了干涉仪及大口径平面反射镜的使用，提高了整个系统的抗扰动能力，降低了测试成本。

Description

一种大口径光学系统MTF测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种大口径光学系统MTF测试装置及方法。

背景技术

研究和发射高分辨率光学成像系统一直是研究人员关注的重点，而随着对分辨率的要求不断提高，不可避免的要求使用大口径光学系统。

大口径光学系统在装调过程和装调完成后都需要对其像质进行评价，判断其是否满足设计要求。MTF(调制传递函数)作为光学系统成像质量评价的重要指标，被广泛应用于光学系统的检测中。

传统的大口径光学系统MTF的检测有两种方式：

(1)目标靶成像测量。这种测量方式使用与之口径相当的大口径平行光管作为检测设备产生平行光束，在平行光管焦面位置放置条纹板或者刀口靶，在光学系统焦面处使用探测器接收条纹板图像或者刀口靶图像。处理条纹板图像或者刀口靶图像便能获得在单个频率下的MTF或者整个系统频率下的MTF分布。然而由于大口径平行光管中均采用了大尺寸光学元件，它不仅造成了整个系统存在重量大和体积大的问题，也对使用过程中元件的加工精度和安装工艺提出了极高的要求，安装工艺的不完善和重力影响均将附加面形偏差，面形误差会导致光束质量下降，进而影响大口径光学系统MTF测量的精度。

(2)使用干涉仪测量大口径光学系统波像差，然后转化为MTF数值。大口径光学系统波像差测量需要一个与光学系统口径相当的标准平面镜作为参考镜。而大口径标准平面镜加工难度大，重量重，搬运困难，其自身重力变形也会引入较大的面形变化，这就大大增加了大口径光学系统MTF的检测成本。而且在测量大口径光学系统时，测量光程长，测量口径大，干涉法更容易受到气流、环境振动等的影响，导致测量得到的MTF数值不稳定。

发明内容

为了解决传统的大口径光学系统MTF的检测方式，测试精度易受大口径平行光管中光学元件面形影响、抗扰动能力差以及测试成本高的技术问题，本发明提供了一种大口径光学系统MTF测量装置及方法。

本发明的发明构思是：

使用小口径平面反射镜作为参考平面反射镜，主动式哈特曼波前传感器作为波前测量设备，将小口径平面反射镜移动到大口径光学系统各个子孔径位置上，使用主动式哈特曼波前传感器获取各个子孔径的波像差。当全口径被覆盖完全后，采用一种子孔径拼接算法拼接处理各子孔径波像差数据得出全口径波像差，全口径波像差经过数值计算后便能转化为光学系统的MTF值。本发明这种测量方式避免了干涉仪以及大口径平面反射镜的使用，提高了整个系统的抗扰动能力，降低了MTF的测试成本。

本发明的技术解决方案是：

一种大口径光学系统MTF测量装置，其特殊之处在于：包括主动式哈特曼波前传感器、参考平面反射镜、二维导轨和控制系统；

主动式哈特曼波前传感器用于向待测的大口径光学系统发出球面波，以及接收待测的大口径光学系统返回的球面波实现波前探测；

参考平面反射镜位于待测的大口径光学系统的出光口处且设置在二维导轨上，二维导轨由控制系统控制使得参考平面反射镜在待测的大口径光学系统口径内移动。

进一步地，主动式哈特曼波前传感器包括光纤激光器、准直镜头、分光镜、标准镜头和哈特曼波前传感器；标准镜头设置准直镜头准直产生的平行光经分光镜反射后的反射光路上；哈特曼波前传感器设置在分光镜的透射光路上，哈特曼波前传感器与标准镜头分别位于分光镜的两侧且共光轴。

本发明还提供了一种利用上述的大口径光学系统MTF测量装置测量大口径光学系统MTF的方法，包括以下步骤：

步骤1：将待测的大口径光学系统的全口径划分为N个子孔径；N≥2；

步骤2：平移所述参考平面反射镜，使其分别位于划分得到的各个子孔径上，利用主动式哈特曼波前传感器测量各个子孔径上的波像差；

步骤3：使用补偿因子可调的全局优化拼接算法去除各子孔径调整产生的误差，拼接得出待测的大口径光学系统的全口径的波像差分布W；

步骤4：利用广义光瞳函数的数学模型将波相差分布数据转化为大口径光学系统的二维MTF分布。

进一步地，步骤3具体为：

3.1)以步骤2中第N次测量结果作为基准，利用补偿函数f_k(x,y)对其余N-1次进行补偿，则第i次测量的子孔径波前满足：

其中：

z_i(x,y)为第i个子孔径上的波前分布；

z′_i,i≠N(x,y)为补偿后的第i个子孔径上的波前分布；

T_ik是第i个子孔径的补偿函数的系数；

k＝1,2…L，L是拟合函数的个数；

3.2)设定目标函数：

3.3)基于步骤3.2)设定的目标函数，获取其余N-1个子孔径的补偿系数R_i＝[T_i1,T_i2…T_iL]^T,i＝1,2…N-1；

3.4)基于步骤3.3)得到的补偿系数，获取待测的大口径光学系统的全口径波前分布W，W_i由公以下公式给出：

W_N＝Z_N′(x,y)

在W中，在重叠区域上的波相差等于形成该重叠区域子孔径波相差的平均值。

进一步地，步骤4具体为：

4.1)利用广义光瞳函数P计算待测的大口径光学系统的相干脉冲响应

其中：

F表示傅里叶变换；

j²＝-1，λ为主动式哈特曼波前传感器发出的激光中心波长；

x_i,y_i表示哈特曼波前传感器上像元的坐标分布；

W(ξ,η)为由步骤3得到的全口径波像差分布；

ξ,η为光瞳坐标；

P(ξ,η)为光瞳函数；

4.2)计算非相干照明下的强度脉冲响应h_I：

4.3)计算MTF：

MTF＝|OTF|＝|F{h_I}|。

进一步地，步骤1中相邻两个子孔径圆心之间的距离与单个子孔径直径的比值小于1.5。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、与传统的大口径光学系统MTF的目标靶成像测量方法相比，本发明不需要与大口径光学系统相当的大口镜平行光管作为目标源，降低了测量成本，也使得测量过程更加灵活方便，而且能够给出光学系统在整个光瞳面上二维MTF分布。

2、本发明是一种非干涉测量方法，采用主动式哈特曼波前传感器作为波前测量设备，使得测量设备不易受到气流振动等的影响，从而提高了最终MTF测试的精度。另外，本发明采用子孔径拼接的方法获取系统波像差，避免了大口径平面参考镜的使用，同样使得测试系统造价降低。

3、与目前常用的子孔径拼接方法相比，本发明采用的子孔径拼接方法是一种全局优化拼接方法，其中误差补偿因子可以进行调节，可使用除平移和倾斜像差之外的低阶像差作为补偿因子，适用性更强，波前拼接精度更高。

4、本发明的光路结构使得子孔径光斑在主动式哈特曼传感器探测器上的位置是确定的，各子孔径的相对位置关系可以直接从光斑图像的分布中得出，不存在一般子孔径拼接检测中遇到的移动位置和实际位置不一致的问题，这样就对平移调整装置的精度要求降低。

5、本发明所用的二维平移导轨只用于参考平面反射镜的移动，系统对二维平移导轨的定位精度无要求。

附图说明

图1是本发明所提供的大口径光学系统MTF测量装置的原理示意图。

图2是本发明中主动式哈特曼波前传感器的原理示意图。

图3是本发明提供的一种子孔径分布示意图。

附图标记说明：

1-主动式哈特曼波前传感器；2-大口径光学系统；3-参考平面反射镜；4-二维导轨；5-控制系统；6-光纤激光器；7-准直镜头；8-分光镜；9-标准镜头；10-哈特曼波前传感器；11-大口径光学系统全口径；12-子孔径。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所提供的大口径光学系统MTF测量装置，包括主动式哈特曼波前传感器1、参考平面反射镜3、二维导轨4和控制系统。

待测的大口径光学系统2设置在主动式哈特曼波前传感器1与参考平面反射镜3之间。参考平面反射镜3设置在二维导轨4上，二维导轨4由控制系统5控制运动。

主动式哈特曼波前传感器1发出的光束经过待测的大口径光学系统2后到达小口径参考平面反射镜3。参考平面反射镜3将光束反射后再次穿过待测的大口径光学系统2后由主动式哈特曼波前传感器1接收，主动式哈特曼波前传感器1可测量出当前子孔径位置上的波像差。控制系统5控制二维导轨4动作使得参考平面反射镜3在大口径光学系统口径内移动，重复上述测量过程，直至子孔径覆盖整个光学系统口径。

主动式哈特曼波前传感器1可以发出球面波，也可以接收球面波用于波前探测；如图2所示，主动式哈特曼波前传感器1包括光纤激光器6、准直镜头7、分光镜8、标准镜头9和哈特曼波前传感器10；光纤激光器6发出的光束由准直镜头7准直产生平行光，平行光经过分光镜8后反射，反射光经过标准镜头9准直后进入待测的大口径光学系统2，光束经过待测的大口径光学系统2焦面后从待测的大口径光学系统2的出光口出射，调整参考平面反射镜3的姿态，使得参考平面反射镜3将入射在其上的光束反射后再次经过待测的大口径光学系统2后聚焦在待测的大口径光学系统2焦面上，焦面上的光束由标准镜头9准直，准直光透过分光镜8后由哈特曼波前传感器10接收；从哈特曼波前传感器10得到的光斑图中可以得出光波斜率分布，使用积分计算便可得出当前子孔径位置上的波前分布。

图3所示是一种子孔径分布示意图，大口径光学系统全口径11被划分为多个子孔径12，各子孔径形成的外接圆直径相等，按照图3所示的子孔径分布平移参考平面反射镜3，重复上述测量过程，直至子孔径覆盖整个大口径光学系统口径。需要指出的是图3所示的子孔径分布只是一个示例，实际中的子孔径分布可根据大口径光学系统全孔径11和参考平面反射镜3的尺寸重新划分。为了提高拼接精度，划分时，除了子孔径需要完全覆盖大口径光学系统全孔径11之外，还需要满足相邻两个子孔径圆心之间的距离与单个子孔径直径的比值小于1.5。

在得到子孔径上的波像差后，本发明使用误差补偿因子可调的全局优化拼接方法去除各子孔径调整引入的误差，拼接得出大口径光学系统的全口径波像差分布，然后利用广义光瞳函数的数学模型将波像差分布数据转化为大口径光学系统2的二维MTF分布。具体步骤如下：

步骤1：使用补偿因子可调的全局优化拼接算法去除各子孔径调整产生的误差。

如图3所示，在全局坐标系O-xyz下，相邻两个子孔径上测量的波像差分别为z_A和z_A′，这两次测量之间存在相对的低阶像差项的误差。在重叠区域A内，我们假设存在补偿函数f_k(x,y)，k＝1,2…L，L是补偿函数的个数，使得以下关系成立：

其中：T_k是补偿函数的系数，假设存在N个子孔径测量结果，将第N次测量结果作为基准，为了使得相邻两个子孔径波前的差值最小，就需要将其他的波前都使用补偿函数f_k(x,y)进行补偿。第i次测量的子孔径波前满足：

为了得到全孔径上的波前分布，要使得所有相邻子孔径上的波像差的平方和最小，即：

由于以第N个子孔径作为参考，所以第N个子孔径的补偿系数T_jk等于0，所以需要计算其他子孔径的补偿系数R_i＝[T_i1,T_i2…T_iL]^T,i＝1,2…N-1。将公式(3)对这些未知数求偏导数，可以得到如下所示的最小二乘方程：

式中，P_i,Q_i,j,∑Q和R_i由公式(5)-(8)给出，n为重叠区域的点数：

公式(6)中

R_i＝[T_i1,T_i2…T_iL]^T,i＝1,2…N-1 (8)

将公式(4)写成：

P＝Q·R (9)

则系数矩阵R可以由以下的最小二乘算法给出：

R＝Q⁺·P (10)

其中：Q⁺是Q的伪逆矩阵，Q⁺＝(Q^TQ)^-1Q^T。在已知补偿系数矩阵R之后便得到补偿系数T_ik,从而可以得到各个子孔径上校正后的波像差分布W_i，W_i可由公以下公式给出：

W_N＝Z_N′(x,y)

最终给出全口径的波像差分布W，在W中，在重叠区域上的波相差等于形成该重叠区域子孔径波相差的平均值。

步骤2：由波像差转化为MTF分布。

在光学系统存在像差时，有像差光学系统的相干脉冲响应

可以由广义光瞳函数P求出，

其中：F表示傅里叶变换，λ为主动式哈特曼波前传感器1发出的激光中心波长。x_i,y_i表示哈特曼波前传感器10上像元的坐标分布，ξ,η为光瞳坐标，P(ξ,η)为光瞳函数，j为虚数，j²＝-1。此处W(ξ,η)表示由步骤1得出的全口径波像差分布。

非相干照明下，强度脉冲响应(点扩散函数)是相干脉冲响应模的平方，即：

光学传递函数(OTF)是点扩散函数的傅里叶变换，而，MTF为OTF的模，即有

MTF＝|OTF|＝|F{h_I}| (14)

通过以上方法可从波像差计算出MTF分布。

Claims (6)

1.一种大口径光学系统MTF测量装置，其特征在于：包括主动式哈特曼波前传感器(1)、参考平面反射镜(3)、二维导轨(4)和控制系统；

主动式哈特曼波前传感器(1)用于向待测的大口径光学系统(2)发出球面波，以及接收待测的大口径光学系统(2)返回的球面波实现波前探测；

参考平面反射镜(3)位于待测的大口径光学系统(2)的出光口处且设置在二维导轨(4)上，二维导轨(4)由控制系统(5)控制使得参考平面反射镜(3)在待测的大口径光学系统(2)口径内移动。

2.根据权利要求1所述的大口径光学系统MTF测量装置，其特征在于：主动式哈特曼波前传感器(1)包括光纤激光器(6)、准直镜头(7)、分光镜(8)、标准镜头(9)和哈特曼波前传感器(10)；标准镜头(9)设置准直镜头(7)准直产生的平行光经分光镜(8)反射后的反射光路上；哈特曼波前传感器(10)设置在分光镜(8)的透射光路上，哈特曼波前传感器(10)与标准镜头(9)分别位于分光镜(8)的两侧且共光轴。

3.利用权利要求1或2所述的大口径光学系统MTF测量装置测量大口径光学系统MTF的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将待测的大口径光学系统(2)的全口径(11)划分为N个子孔径(12)；N≥2；

步骤2：平移所述参考平面反射镜(3)，使其分别位于划分得到的各个子孔径上，利用主动式哈特曼波前传感器(10)测量各个子孔径上的波像差；

步骤3：使用补偿因子可调的全局优化拼接算法去除各子孔径调整产生的误差，拼接得出待测的大口径光学系统(2)的全口径的波像差分布W；

步骤4：利用广义光瞳函数的数学模型将波相差分布数据转化为大口径光学系统(2)的二维MTF分布。

4.根据权利要求3所述的大口径光学系统MTF测量装置测量大口径光学系统MTF的方法，其特征在于，步骤3具体为：

3.1)以步骤2中第N次测量结果作为基准，利用补偿函数f_k(x,y)对其余N-1次进行补偿，则第i次测量的子孔径波前满足：

其中：

z_i(x,y)为第i个子孔径上的波前分布；

z_i′_,i≠N(x,y)为补偿后的第i个子孔径上的波前分布；

T_ik是第i个子孔径的补偿函数的系数；

k＝1,2…L，L是拟合函数的个数；

3.2)设定目标函数：

3.3)基于步骤3.2)设定的目标函数，获取其余N-1个子孔径的补偿系数R_i＝[T_i1,T_i2…T_iL]^T,i＝1,2…N-1；

3.4)基于步骤3.3)得到的补偿系数，获取待测的大口径光学系统(2)的全口径波前分布W，W_i由公以下公式给出：

W_N＝Z_N′(x,y)

在W中，在重叠区域上的波相差等于形成该重叠区域子孔径波相差的平均值。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤4具体为：

4.1)利用广义光瞳函数P计算待测的大口径光学系统(2)的相干脉冲响应

其中：

F表示傅里叶变换；

j²＝-1，λ为主动式哈特曼波前传感器(1)发出的激光中心波长；

x_i,y_i表示哈特曼波前传感器(10)上像元的坐标分布；

W(ξ,η)为由步骤3得到的全口径波像差分布；

ξ,η为光瞳坐标；

P(ξ,η)为光瞳函数；

4.2)计算非相干照明下的强度脉冲响应h_I：

4.3)计算MTF：

MTF＝|OTF|＝|F{h_I}|。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤1中相邻两个子孔径圆心之间的距离与单个子孔径直径的比值小于1.5。

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