CN112683494B - 一种光学镜头综合性能参数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学镜头综合性能参数测试装置及方法。该装置包括目标源模拟单元、支撑调节单元、二维移动平台和数据处理单元；将不同类型光学镜头放置在该测试装置上，可实现光学镜头的多个参数性能的测试；目标源模拟单元可提供可见光和红外光，同时配合平行光管及多维调节的支撑调节单元使测试结果达到更高的精度；利用数据处理单元处理图像，通过分析计算得到所需的测试结果，测试过程更具数字化，便于测试结果的处理和传输，整个测试过程的可操作性强，并且通过切换发光源可实现可见光和红外光的测试。

Description

一种光学镜头综合性能参数测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光机系统检测及方法，尤其涉及一种光学镜头综合性能参数测试装置及方法。

背景技术

光学技术的飞速发展，形成了强大的光学工业和光学技术领域。光电产业是一个新兴的高科技行业，其多元化应用技术产品作为智能产业的一个分支，有着广阔的发展空间和潜力。

光学镜头是光电应用产品的主要成像光学部件，其主要作用是将被测目标成像在图像传感器的光敏面上，光学镜头的质量对整机系统的成像质量起着关键性作用，直接影响到光电产品的整体性能。由于光学镜头的各主要参数均会对成像指标产生影响，因而对各型号光电产品镜头进行综合性能参数测试评估是光电产品系统设计的重要环节，一般定义的光学镜头性能参数有：分辨率、视场、焦距、畸变、齐焦、光轴一致性以及弥散斑大小。

目前，一般采用的光学镜头测试装置多为单一参数测试装置，测试光学镜头的不同参数时需要更换不同的测试装置，测试效率较低，测试成本高；同时，某一参数测试装置往往只能针对某一类型的镜头测试进行，很难满足多种光学镜头的测试需求；此外，大部分的测试装置及测试方法仅限于测试装置的中心视场，中心视场的测试结果仅能够表示极小的邻近中心视场区域内的结果，测试范围局限。

发明内容

为了克服现有的光学镜头测试装置仅能对某一类镜头的某一单一参数进行测试，测试效率低、测试成本高，以及仅限于中心视场测试，测试范围局限性大等问题，本发明提供乐一种光学镜头综合性能参数测试装置及方法。

该装置将多种光学镜头参数测试集中在同一个检测平台上，实现高度集成化的测试功能；同时配合高精度的光管及多维精密调节机构使测试结果达到更高的精度；利用计算机采集处理图像，通过各模块分析计算得到所需的测试结果，测试过程更具数字化，便于测试结果的处理和传输，整个测试过程的可操作性强，并且通过切换发光源可实现可见光和红外光的测试。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

包括目标源模拟单元、支撑调节单元、二维移动平台和数据处理单元；

目标源模拟单元包括平行光管、发光源、靶标组件以及平移导轨；

平行光管采用离轴反射式结构，发光源位于平行光管的入光口外部，发光源包括均设置在平移导轨上的积分球和黑体，通过使积分球和黑体在平移导轨上移动，用于为平行光管提供可见光和红外光；

靶标组件设置在平行光管的入光口和发光源之间，用于提供不同模拟的发光图案；

支撑调节单元位于平行光管出光口外部，用于提供被测光学镜头沿上下、前后、左右的移动，以及水平、俯仰方向的转动；

二维移动平台在对被测光学镜头进行齐焦测量时，用于放置被测光学镜头的相机以及调节相机沿光轴方向的运动；

所述数据处理单元与所述被测光学镜头的相机电连接。

进一步地，上述平行光管包括主反射镜、折叠反射镜、分光镜及自准相机；

主反射镜为离轴抛物面反射镜；

折叠反射镜位于主反射镜的反射光路上，用于折转光路；

分光镜为半透半反镜，位于折叠反射镜的反射光路上，用于实现自准直功能；

自准相机位于平行光管的共轭焦平面上，用于将自准直图像输出。

进一步地，上述靶标组件中靶标采用星点靶或USAF1951靶或四杆靶或十字靶。

进一步地，上述靶标组件采用插拔式，靶标通过压圈固定在靶标座内，整体呈T字型。

进一步地，上述数据处理单元包括机柜、电源、测试计算机以及监视器；电源、测试计算机以及监视器均安装在机柜里；测试计算机与被测光学镜头的相机相互通讯，内设置测试软件，用于配合硬件系统进行硬件调试，数据采集，数据处理，数据分析以及数据结果的生成及保存等工作，实现光学镜头的综合性能参数测试功能；监视器与测试计算机相连，用于对测试过程中画面的显示与监控；电源用于向测试计算机及监视器供电。

进一步地，上述支撑调节单元包括用于给被测光学镜头提供水平、俯仰旋转的二维转台，用于给被测光学镜头提供上下、前后、左右移动的三维移动台。

进一步地，上述目标源模拟单元的离轴抛物面主反射镜、折叠反射镜、

分光镜、自准相机、积分球、黑体和靶标均通过各自的调整镜架或底座固定在光学平台上，光学平台安装阻尼减震器，且高度可调。

基于上述测试装置的介绍，现对采用该系统进行综合性能参数测试方法的流程进行描述，该方法实现了被测光学镜头的分辨率、视场、焦距、畸变、齐焦、光轴一致性以及弥散斑的测试；

A、所述被测光学镜头的分辨率测试过程为：

步骤A1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤A2：靶标使用USAF1951靶或四杆靶，调节靶标图案至被测光学镜头视场中央；所述USAF1951靶用于积分球发出可见光时使用，USAF1951靶上包括十组靶标图案，十组靶标图案按由大到小、由外向里、层层套叠的次序排列，各组靶标图案又由六个靶标单元组成，每组靶标单元均由三条水平靶线和三条垂直靶线构成。

所述四杆靶用于黑体发出红外光时使用，四杆靶上包括7个条纹，四个黑条纹，三个白条纹，七个条纹具有相同的尺寸，且高宽比为7:1；

步骤A3：利用被测光学镜头的相机对靶标图案进行调焦、采集；

若采用USAF1951靶进行可见光测试时，执行步骤A4和步骤A5：若采用四杆靶进行红外光测试时，执行步骤A6和步骤A7：

步骤A4：从靶线宽度大的靶标单元向靶线宽度小的靶标单元顺序观察，观察到任意靶标单元两个方向的靶线恰好能够分辨开，记录该靶标单元的单元号，按单元号和分辨率板号给出的基本参数，查找该靶标单元对应的靶线宽度或每毫米的线对数；

步骤A5：利用数据处理单元结合测量用平行光管焦距给出被测光学镜头的实际分辨率：

其中，α—被测光学镜头的实际分辨率；

f_c′—平行光管焦距；

P—单元号对应的靶线宽度(mm)；

步骤A6：更换不同空间频率的四杆靶，当观察到某一空间频率的四杆靶上四个亮暗条纹恰好能够分辨开，获取该空间频率下的四杆靶对应的亮暗条纹宽度；

步骤A7：利用数据处理单元结合测量用平行光管焦距给出被测光学镜头的实际分辨率：

其中，α—被测光学镜头的实际分辨率；

f_c′—平行光管焦距；

P—该空间频率下的四杆靶的黑白条纹宽度(mm)；

B、所述被测光学镜头的视场测试过程为：

步骤B1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤B2：靶标使用十字靶，保证靶标与被测光学镜头光轴垂直；

步骤B3：对被测光学镜头的相机进行调焦、对准，使十字丝清晰成像；

步骤B4：支撑调节单元水平方向旋转，使十字丝刚好离开被测光学镜头视场，将支撑调节单元的水平方向清零；

步骤B5：反向旋转支撑调节单元，再次使十字丝刚好离开被测光学镜头视场，记录此时支撑调节单元的水平方向读数，即为被测光学镜头的水平方向视场角；

按照步骤B4、B5的方式，使支撑调节单元俯仰方向转动，测出被测光学镜头的俯仰方向视场角；

C、所述被测光学镜头的焦距测试过程为：

步骤C1：靶标使用星点靶，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤C2：调节被测光学镜头，直至能清楚看到星点靶所成的像，且位于被测光学镜头的相机靶面中心，固定被测光学镜头的相机，并以此为零点，记录此时被测光学镜头的相机像素坐标；

步骤C3：支撑调节单元水平方向旋转，记录支撑调节单元旋转的角度值及旋转后星点像的中心像素坐标值；

步骤C4：利用数据处理单元，计算星点像中心像素坐标与零点坐标的距离，结合支撑调节单元旋转的角度值，求解出被测光学镜头的焦距；

步骤C5：重复上述步骤C3和步骤C4多次，按照取平均的方式获取准确的焦距值；

D、所述被测光学镜头的畸变测试过程为：

步骤D1：靶标使用星点靶，保证靶标与被测光学镜头的光轴垂直；

步骤D2：对被测光学镜头进行调焦、对准，使整个光路处于0°视场，星点清晰成像且位于被测光学镜头的相机靶面中心，记录此时星点像的弥散圆中心的像素坐标作为起始位置；

步骤D3：支撑调节单元水平方向旋转，沿水平方向按视场角等角度间隔取点测量，记录支撑调节单元旋转的角度值与每次旋转后星点像的弥散圆中心像素坐标值；

步骤D4：计算不同视场下星点像的弥散圆中心像素坐标值与起始位置星点像的弥散圆中心的像素坐标之间的距离，结合被测光学镜头的相机像元尺寸，得到实际测量像高值；

步骤D5：使用全视场畸变和最小的方法计算理论焦距：

式中，y_i′为实际测量得到像高值；

f′为理论焦距；

ω_i为支撑调节单元旋转的角度值；

步骤D6：结合理论焦距，代入畸变表达式求解出被测光学镜头不同视场角下的绝对畸变值D_i：

D_i＝y_i′-f′tanω_i

E、所述被测光学镜头的齐焦测试过程为：

步骤E1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，将被测光学镜头的相机放置在二维移动平台上；

步骤E2：靶标使用十字靶，对测试装置与被测光学镜头及相机进行穿轴调校；

步骤E3：测定被测光学镜头长焦的最佳像面位置，以其为零位，按长焦到短焦，再由短焦到长焦顺序对被测光学镜头进行焦距调整，依次测定各焦距下的最佳像面位置相对于零位的轴向位移值，轴向位移值沿入射光线方向取值为正，反之为负，其最大位移值与最小位移值之差即为步骤E3的测回的最大相对位移量；

步骤E4：测定被测光学镜头短焦的最佳像面位置为零位，按短焦到长焦，再由长焦到短焦顺序对被测光学镜头进行焦距调整，依次测定各焦距下的最佳像面位置相对于零位的轴向位移值，轴向位移值沿入射光线方向取值为正，反之为负，其最大位移值与最小位移值之差即为步骤E4的测回的最大相对位移量；

步骤E5：比较步骤E3和步骤E4两个测回中相对位移量的较大者作为被测光学镜头的齐焦量；

F、所述被测光学镜头的光轴一致性测试过程为：

步骤F1：靶标使用十字靶，先测定被测光学镜头长焦的最佳像面位置，记录十字丝目标像在被测光学镜头的相机靶面中心的像素坐标，作为零位坐标；

步骤F2：按长焦到短焦，再由短焦到长焦顺序，对被测光学镜头进行焦距调整，依次采集记录各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值；

步骤F3：利用数据处理单元，计算各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值与零点坐标距离，得到不同焦距下光轴晃动所引起的被测光学镜头的相机像元尺寸变化，结合相机像元尺寸及被测光学镜头的焦距，得到最大光轴晃动量θ₁：

式中：D—十字丝目标像与零点坐标距离(像素单位)；

P—相机像元尺寸；

f′——被测光学镜头焦距；

步骤F4：以短焦的最佳像面位置为零位坐标，按短焦到长焦，再由长焦到短焦的顺序进行焦距调整，依次采集记录各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值，之后按照步骤F3，测得其最大光轴晃动量θ₂；

步骤F5：比较θ₁和θ₂的大小，取较大者为被测光学镜头光轴一致性误差；

G、所述被测光学镜头的弥散斑测试过程为：

步骤G1：在平行光管焦面安装星点靶，作为目标源；

步骤G2：光源前加滤光片照亮平行光管焦面上的星点靶；

步骤G3：对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴基本重合；

步骤G4：被测光学镜头的相机对星点衍射像进行采集，之后发送至数据处理单元进行处理得到弥散斑的测试结果。

进一步地，上述被测光学成像镜头的焦距测试时满足以下：

条件1：平行光管的物镜像差不影响被测镜头焦距的测量值；

条件2：平行光管的物镜口径应大于被测成像镜头的镜头口径；

条件3：平行光管焦距最好为被测成像镜头焦距的5倍以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用由平行光管、发光源(积分球和黑体)、不同类型的靶标组成的目标源模拟单元；具有上下、前后、左右的移动，以及水平、俯仰方向的转动的支撑调节单元；可沿光轴移动的二维移动平台以及数据处理单元构成了对被测光学镜头的测试装置，该系统可实现定焦及变焦类被测光学镜头的分辨率、视场、焦距、畸变、齐焦、光轴一致性以及弥散斑的测试，同时也能满足可见光和红外光的测试需求，相比现有方式，不仅大大提高了测试效率，降低了测试成本，同时测试范围和测试效果也有了明显的提升。

2、本发明采用平行光管及配合多维精密调节机构，测试精度高，同时可以满足不同类型镜头的大视场参数测试。

3、本发明利用数据处理单元，通过分析计算得到所需测试结果，测试过程更具数字化，便于测试结果的处理和传输，整个测试过程的可操作性强。

附图说明

图1为测试装置的结构原理图。

图2为图1中目标源模拟单元的示意图。

图3为USAF1951靶的示意图。

图4为四杆靶的示意图。

附图标记如下：

1-目标源模拟单元、11-平行光管、111-主反射镜、112-折叠反射镜、113-分光镜、114-自准相机、12-发光源、121-积分球、122-黑体、13-靶标组件、14-平移导轨、2-支撑调节单元、3、数据处理单元、4-被测光学镜头。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；还可以是用于数据通讯的电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供了一种光学镜头综合性能参数测试装置的具体架构，如图1至图2，包括目标源模拟单元1、支撑调节单元2、二维移动平台和数据处理单元3；目标源模拟单元1用于为被测光学镜头4提供目标源；支撑调节单元2为配备有高低、水平、方位、俯仰调节功能的多维精密调节机构，配合不同被测光学镜头4及测试功能使用；二维移动平台在对被测光学镜头4进行齐焦测量时，用于放置被测光学镜头4的相机以及调节相机沿光轴方向的运动(由于只有在进行齐焦测量时使用二维移动平台，因此图1中省略了二维移动平台)；数据处理单元3配合硬件系统使用，结合外部模块设定参数，实现系统参数测试功能；

具体来说：

目标源模拟单元1作为该测试装置的关键核心部分，包括平行光管11、发光源12、靶标组件13以及平移导轨14；

平行光管11采用离轴反射式结构，发光源12位于平行光管11的入光口外部，发光源12包括均设置在平移导轨14上的积分球121和黑体122，通过使积分球121和黑体122在平移导轨14上移动，用于为平行光管11提供可见光和红外光；其中，积分球121用于提供可见光，黑体122用于提供红外光；

平行光管11包括主反射镜111、折叠反射镜112、分光镜113及自准相机114；主反射镜111为离轴抛物面反射镜；折叠反射镜112位于主反射镜111的反射光路上，用于折转光路；分光镜113为半透半反镜，位于折叠反射镜113的反射光路上，用于实现自准直功能；自准相机114位于平行光管11的共轭焦平面上，用于将自准直图像输出至测试设备方便多人观察；需要说明的是：在自准直功能模式下，平行光管11出光口处增设标准平面反射镜，标准平面反射镜反射回来的光经分光镜一分为二，一路透射，另一路反射至自准相机114。本实施例中目标源模拟单元1的器件均安装在采用专业级精密阻尼减震器的光学平台上，平台隔震性能高、平面度好，总高度可调。

靶标组件13设置在平行光管11的入光口和积分球之间，发光源12产生可见光或红外光投射至靶标，靶标被照明后形成模拟的发光图案，根据测试功能的需要，靶标可选择星点靶、USAF1951靶、四杆靶、和十字靶等靶板，其中，四杆靶为红外测试使用，USAF1951靶和十字靶为可见光测量用，星点靶为可见及红外光共用；靶标采用插拔式靶板构成，通过压圈固定在靶标座内，整体呈T字型；测试时，由人工选择更换测试所需的靶标图案，保证靶标替换过程具有高可重复性。

支撑调节单元2位于平行光管11出光口外部，用于提供被测光学镜头沿上下、前后、左右的移动，以及水平、俯仰方向的转动；本实施例中支撑调节单元2包括二维转台、三维移动平台；

其中，二维转台具有两个回转分度轴系，工作台除了能沿水平方向旋转任意角度进行精密分度外，还能使工作台面沿俯仰方向0～90°进行精密分度；二维转台的水平回转轴系采用精密滚动轴承，导轨采用滚动卸荷式双联贴片滑动导轨，具有精度高，运转轻松平稳的特点，俯仰轴系是通过手柄带动蜗轮副来实现的，减速比大、操作转动灵活方便、安全可靠。

三维移动平台包括一个二维直线平移台(提供前后、左右方向移动)和一个升降台(提供竖直方向移动)。二维直线平移台采用高效滚珠丝杠副与直线滚动导轨副，直线度好、运动平稳、精度高、具备锁紧功能、结构紧凑、稳定性好，为满足工作台面的使用需求，加工一台面尺寸为150mm×150mm的平板与两维直线导轨相连；升降台采用滚珠螺杆和减速机驱动，四根线性轴承做导轨，稳定性好、精度高、承载大。

数据处理单元3与所述被测光学镜头4的相机电连接，该数据处理单元包括机柜、电源、测试计算机以及监视器；电源、测试计算机以及监视器均安装在机柜里；测试计算机与被测光学镜头的相机相互通讯，内设置测试软件，用于配合硬件系统进行硬件调试，数据采集，数据处理，数据分析以及数据结果的生成及保存等工作，实现光学镜头的综合性能参数测试功能。监视器与测试计算机相连，用于对测试过程中画面的显示与监控。电源用于向测试计算机及监视器供电。

测试软件包含用户操作界面，硬件数据采集及接口模块，配套监视画面，对算法处理出的结果进行显示与保存，并对测试结果进行分析，确认镜头各项参数指标是否满足设计需求，包括以下步骤：

步骤1)：打开操作软件，连接硬件设备；

步骤2)：初始化设备，并配置设备相关参数；

步骤3)：选择需要测试的参数模块；

步骤4)：根据算法测试步骤进行图像获取与测试；

步骤5)：软件自动对所获得的信息进行处理，给出测试结果。

本实施例的测试平台，具有多个测试功能：

具备分辨率测试功能：由被测光学镜头的相机采集分辨率测试图像，通过人眼识别结合数据处理的方式获得分辨率，使得分辨率数值更加直观、准确。

具备视场测试功能：采用直接测量法对被测光学镜头进行视场测试，测试时，调整被测光学镜头观察准直光源，旋转二维转台调节机构，使目标两次刚好离开视场，二维转台的转动量即为被测光学镜头的视场，一般测量相互垂直的两个视场方向；

具备焦距测试功能。采用转角法进行焦距测试，测试时，星点靶位于平行光管的物方焦平面上，经平行光管准直后，成像于被测光学镜头的像方焦平面，由计算机控制实现图像获取，将起始位置星点像的中心像素坐标记为零位，驱动转台旋转，记录转台旋转的角度值及旋转后星点像的中心像素坐标值，通过数据处理计算出被测光学镜头的焦距值；

具备畸变测试功能。采用转角法进行畸变测试，测试时，用星点靶在被测光学镜头像面处直接测量，将起始位置星点像的弥散圆中心像素坐标记为原点，驱动转台旋转，被测光学镜头的相机记录不同视场下星点像的弥散圆中心坐标，计算其与起始位置星点像的弥散圆中心像素坐标之间的距离即实际测量像高，结合转台转过的标准角度，计算理论像高，通过数据处理给出被测光学镜头不同视场下的绝对畸变值。

具备齐焦测试功能。测试时，采用十字靶，分别调节被测光学镜头相机沿光轴方向移动至长焦或短焦某一视场位置时成像清晰，将此时的二维移动平台位置记为零位，依次对被测光学镜头进行视场切换，观察被测光学镜头的相机中所成像的清晰程度，若不清晰，移动二维移动平台使被测光学镜头的相机成像清晰，记录各个视场下二维移动平台的移动量，其中最大相对位移量即为被测光学镜头的齐焦量。

具备光轴一致性测试功能：测试时，采用十字靶，以长焦或短焦中的任一视场为基准，将该视场下被测光学镜头的相机采集到的十字丝像中心位置记为零位，对被测光学镜头进行焦距切换，被测光学镜头的相机采集不同焦距下所对应得十字像的像素点坐标，计算其与中心零位的距离，结合被测光学镜头焦距得出光轴一致性误差。

具备弥散斑测试功能：测试时，在发光源前加窄带滤光片，使其产生一个单波长光源，照亮平行光管焦面上星点，由被测光学镜头的相机接收、采集星点衍射图像，利用图像判读算法，提取图像灰度值，依据瑞利判据计算被测光学镜头的弥散斑直径，同时给出光斑的中心位置坐标。

通过上述测试平台测试功能的介绍，现对每个功能的具体测试过程进行详细的描述：

具体测试内容如下：

功能一、分辨率测试

步骤A1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤A2：若采用积分球发光则靶标使用USAF1951靶，若采用黑体作为发光源则靶标使用四杆靶，调节靶标图案至被测光学镜头视场中央；其中，图3所示，USAF1951靶上包括十组靶标图案，十组靶标图案按由大到小、由外向里、层层套叠的次序排列，各组靶标图案又由六个靶标单元组成，每组靶标单元均由三条水平靶线和三条垂直靶线构成；如图4所示，所述四杆靶用于黑体发出红外光时使用，四杆靶上包括亮暗相间的等宽条纹图案，目标条纹为4个，每个条纹的高宽比为7﹕1；

步骤A3：利用被测光学镜头的相机对靶标图案进行调焦、采集；

若采用USAF1951靶进行可见光测试时，执行步骤A4和步骤A5：若采用四杆靶进行红外光测试时，执行步骤A6和步骤A7：

步骤A4：从靶线宽度大的靶标单元向靶线宽度小的靶标单元顺序观察，观察到任意靶标单元两个方向的靶线恰好能够分辨开，记录该靶标单元的单元号，按单元号和分辨率板号给出的基本参数，查找该靶标单元对应的靶线宽度或每毫米的线对数；

步骤A5：利用数据处理单元结合测量用平行光管焦距给出被测光学镜头的实际分辨率：

其中，α—被测光学镜头的实际分辨率；

f_c′—平行光管焦距；

P—单元号对应的靶线宽度(mm)；

步骤A6：更换不同空间频率的四杆靶，当观察到某一空间频率的四杆靶上四个亮暗条纹恰好能够分辨开，获取该空间频率下的四杆靶对应的亮暗条纹宽度；

步骤A7：利用数据处理单元结合测量用平行光管焦距给出被测光学镜头的实际分辨率：

其中，α—被测光学镜头的实际分辨率；

f_c′—平行光管焦距；

P—该空间频率下的四杆靶的黑白条纹宽度(mm)；

功能二：视场测试

步骤B1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤B2：靶标使用十字靶，保证靶标与被测光学镜头光轴垂直；

步骤B3：对被测光学镜头的相机进行调焦、对准，使十字丝清晰成像；

步骤B4：二维转台水平方向旋转，使十字丝刚好离开被测光学镜头视场，将二维转台的水平方向清零；

步骤B5：反向旋转二维转台，再次使十字丝刚好离开被测光学镜头视场，记录此时二维转台的水平方向读数，即为被测光学镜头的水平方向视场角；

按照步骤B4、B5的方式，使二维转台俯仰方向转动，测出被测光学镜头的俯仰方向视场角；

功能三、焦距测试

步骤C1：靶标使用星点靶，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤C2：调节被测光学镜头，直至能清楚看到星点靶所成的像，且位于被测光学镜头的相机靶面中心，固定被测光学镜头的相机，并以此为零点，记录此时被测光学镜头的相机像素坐标；

步骤C3：二维转台水平方向旋转，记录二维转台旋转的角度值及旋转后星点像的中心像素坐标值；

步骤C4：利用数据处理单元，计算星点像中心像素坐标与零点坐标的距离，结合二维转台旋转的角度值，求解出被测光学镜头的焦距；

为进一步提高焦距测量精度，测量过程中，可重复上述C3和C4，采用多次测量取平均的方式减小焦距的随机误差。

实施上述功能三测试时，为达到预期的测量精度，测试时，应注意：

1)：光管物镜像差不影响被测镜头焦距的测量值；

2)：光管物镜口径应大于被测镜头口径；

3)：光管焦距最好为被测镜头焦距的5倍以上；

功能四、畸变测试

畸变测试用以衡量被测光学镜头的几何失真程度；

步骤D1：靶标使用星点靶，保证靶标与被测光学镜头的光轴垂直；

步骤D2：对被测光学镜头进行调焦、对准，使整个光路处于0°视场，星点清晰成像且位于被测光学镜头的相机靶面中心，记录此时星点像的弥散圆中心的像素坐标作为起始位置；

步骤D3：二维转台作水平方向旋转，沿水平方向按视场角等角度间隔取点测量，记录支撑调节单元旋转的角度值与每次旋转后星点像的弥散圆中心像素坐标值；

步骤D4：计算不同视场下星点像的弥散圆中心像素坐标值与起始位置星点像的弥散圆中心的像素坐标之间的距离，结合被测光学镜头的相机像元尺寸，得到实际测量像高值；

步骤D5：使用全视场畸变和最小的方法计算理论焦距：

式中，y_i′为实际测量得到像高值；

f′为理论焦距；

ω_i为二维转台旋转的角度值；

步骤D6：结合理论焦距，代入畸变表达式求解出被测光学镜头不同视场角下的绝对畸变值D_i：

D_i＝y_i′-f′tanω_i

值得注意的是，对于畸变较大的被测光学镜头，边缘视场需要采集较多的点，而对于小视场被测光学镜头，较多的采样点又会使二维转台的转角误差对测量结果的影响增大，实际应用时应综合考虑。

功能五、齐焦测试

齐焦测试用以针对变焦镜头在短焦、长焦变化过程中，最佳像面位置变化量的测量。依据测试前准备，将被测镜头光轴调到与平行光管和相机的光轴同轴，按镜头标识的长焦、短焦，以及中焦和/或次长焦、次短焦进行试验；

步骤E1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，将被测光学镜头的相机放置在二维移动平台上；

步骤E2：靶标使用十字靶，对测试装置与被测光学镜头及相机进行穿轴调校；

步骤E3：测定被测光学镜头长焦的最佳像面位置，以其为零位，按长焦到短焦，再由短焦到长焦顺序对被测光学镜头进行焦距调整，依次测定各焦距下的最佳像面位置相对于零位的轴向位移值，(轴向位移值按入射光线方向取值，顺为正值，逆为负值)，其最大位移值与最小位移值之差即为步骤E3的测回的最大相对位移量；

步骤E4：测定被测光学镜头短焦的最佳像面位置为零位，按短焦到长焦，再由长焦到短焦顺序对被测光学镜头进行焦距调整，依次测定各焦距下的最佳像面位置相对于零位的轴向位移值，轴向位移值沿入射光线方向取值为正，反之为负，其最大位移值与最小位移值之差即为步骤E4的测回的最大相对位移量；

步骤E5：比较步骤E3和步骤E4两个测回中相对位移量的较大者作为被测光学镜头的齐焦量。

功能六、光轴一致性的测试

光轴一致性的测试用以针对变焦镜头在整个变焦过程中，光轴的最大晃动量的测试；

依据测试前准备，将被测光学镜头光轴调到与平行光管光轴同轴，按镜头标识的长焦、短焦，以及中焦和/或次长焦、次短焦进行试验，包括以下步骤：

步骤F1：靶标使用十字靶，先测定被测光学镜头长焦的最佳像面位置，记录十字丝目标像在被测光学镜头的相机靶面中心的像素坐标，作为零位坐标；

步骤F2：按长焦到短焦，再由短焦到长焦顺序，对被测光学镜头进行焦距调整，依次采集记录各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值；

步骤F3：利用数据处理单元，计算各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值与零点坐标距离，得到不同焦距下光轴晃动所引起的被测光学镜头的相机像元尺寸变化，结合相机像元尺寸及被测光学镜头的焦距，得到最大光轴晃动量θ₁：

式中：D—十字丝目标像与零点坐标距离(像素单位)；

P—相机像元尺寸；

f′——被测光学镜头焦距；

步骤F4：以短焦的最佳像面位置为零位坐标，按短焦到长焦，再由长焦到短焦的顺序进行焦距调整，依次采集记录各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值，之后按照步骤F3，测得其最大光轴晃动量θ₂；

步骤F5：比较θ₁和θ₂的大小，取较大者为被测光学镜头光轴一致性误差。

功能七、弥散斑测试

在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线，经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散斑。对系统的弥散斑尺寸进行定量测量，能够确定其是否满足成像要求。包括以下步骤：

步骤G1：在平行光管焦面安装星点靶，作为目标源；

步骤G2：发光源前加滤光片照亮平行光管焦面上的星点靶；

步骤G3：对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴基本重合；

步骤G4：被测光学镜头的相机对星点衍射像进行采集，之后发送至数据处理单元进行处理得到弥散斑的测试结果。

值得注意的是，弥散斑测试中星点衍射像中央是一个集中了大部分光能量的亮斑，亮斑光能大约占全部能量的84％，这就是瑞利判据。本方法以瑞利判据为依据，通过提取目标图像80％的能量区间，得到弥散斑直径。数据处理单元具体算法流程包括：

1)读入图像；

2)截取目标图像。所选取的目标图像区域应尽可能小，但必须包含一级衍射环；

3)提取图像中灰度值最大点坐标；

4)以该点的横、纵坐标为基准进行能量积分；

5)求出各自占总能量80％的对称两点间距离，取平均值。

受光学系统像差影响，星点像能量有一定的分散，但仍集中在较少的几个像元内。假定相机像元大小为p(单位：μm)，衍射像大小为3pixel×3pixel，平行光管焦距为2000mm，则测试用星点大小a(单位：mm)为：

式中：f′—被测光学镜头焦距。

Claims (7)

1.一种光学镜头综合性能参数测试装置，其特征在于：包括目标源模拟单元、支撑调节单元、二维移动平台和数据处理单元；

目标源模拟单元包括平行光管、发光源、靶标组件以及平移导轨；

平行光管采用离轴反射式结构，发光源位于平行光管的入光口外部，发光源包括均设置在平移导轨上的积分球和黑体，通过使积分球和黑体在平移导轨上移动，用于为平行光管提供可见光和红外光；

所述平行光管包括主反射镜、折叠反射镜、分光镜及自准相机；

主反射镜为离轴抛物面反射镜；

折叠反射镜位于主反射镜的反射光路上，用于折转光路；

分光镜为半透半反镜，位于折叠反射镜的反射光路上，用于实现自准直功能；

自准相机位于平行光管的共轭焦平面上，用于将自准直图像输出；

靶标组件设置在平行光管的入光口和发光源之间，用于提供不同模拟的发光图案；所述靶标组件采用插拔式，靶标通过压圈固定在靶标座内，整体呈T字型；

支撑调节单元位于平行光管出光口外部，用于提供被测光学镜头沿上下、前后、左右的移动，以及水平、俯仰方向的转动；

二维移动平台在对被测光学镜头进行齐焦测量时，用于放置被测光学镜头的相机以及调节相机沿光轴方向的运动；

所述数据处理单元与所述被测光学镜头的相机电连接。

2.根据权利要求1所述的光学镜头综合性能参数测试装置，其特征在于：所述靶标组件中靶标采用星点靶或USAF1951靶或四杆靶或十字靶。

3.根据权利要求1所述的光学镜头综合性能参数测试装置，其特征在于：所述数据处理单元包括机柜、电源、测试计算机以及监视器；电源、测试计算机以及监视器均安装在机柜里；测试计算机与被测光学镜头的相机相互通讯，内设置测试软件，用于配合硬件系统进行硬件调试，数据采集，数据处理，数据分析以及数据结果的生成及保存等工作，实现光学镜头的综合性能参数测试功能；监视器与测试计算机相连，用于对测试过程中画面的显示与监控；电源用于向测试计算机及监视器供电。

4.根据权利要求1所述的光学镜头综合性能参数测试装置，其特征在于：所述支撑调节单元包括用于给被测光学镜头提供水平、俯仰旋转的二维转台，用于给被测光学镜头提供上下、前后、左右移动的三维移动台。

5.根据权利要求1所述的光学镜头综合性能参数测试装置，其特征在于：所述目标源模拟单元的离轴抛物面主反射镜、折叠反射镜、分光镜、自准相机、积分球、黑体和靶标均通过各自的调整镜架或底座固定在光学平台上，光学平台安装阻尼减震器，且高度可调。

6.一种光学镜头综合性能参数测试方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的光学镜头综合性能参数测试装置，实现了被测光学镜头的分辨率、视场、焦距、畸变、齐焦、光轴一致性以及弥散斑的测试；

A、所述被测光学镜头的分辨率测试过程为：

步骤A1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤A2：靶标使用USAF1951靶或四杆靶，调节靶标图案至被测光学镜头视场中央；所述USAF1951靶用于积分球发出可见光时使用，USAF1951靶上包括十组靶标图案，十组靶标图案按由大到小、由外向里、层层套叠的次序排列，各组靶标图案又由六个靶标单元组成，每组靶标单元均由三条水平靶线和三条垂直靶线构成；

所述四杆靶用于黑体发出红外光时使用，四杆靶上包括7个条纹，四个黑条纹，三个白条纹，七个条纹具有相同的尺寸，且高宽比为7:1；

步骤A3：利用被测光学镜头的相机对靶标图案进行调焦、采集；

若采用USAF1951靶进行可见光测试时，执行步骤A4和步骤A5：若采用四杆靶进行红外光测试时，执行步骤A6和步骤A7：

步骤A4：从靶线宽度大的靶标单元向靶线宽度小的靶标单元顺序观察，观察到任意靶标单元两个方向的靶线恰好能够分辨开，记录该靶标单元的单元号，按单元号和分辨率板号给出的基本参数，查找该靶标单元对应的靶线宽度或每毫米的线对数；

步骤A5：利用数据处理单元结合测量用平行光管焦距给出被测光学镜头的实际分辨率：

其中，α—被测光学镜头的实际分辨率；

f_c′—平行光管焦距；

P—单元号对应的靶线宽度(mm)；

步骤A6：更换不同空间频率的四杆靶，当观察到某一空间频率的四杆靶上四个亮暗条纹恰好能够分辨开，获取该空间频率下的四杆靶对应的亮暗条纹宽度；

步骤A7：利用数据处理单元结合测量用平行光管焦距给出被测光学镜头的实际分辨率：

其中，α—被测光学镜头的实际分辨率；

f_c′—平行光管焦距；

P—该空间频率下的四杆靶的黑白条纹宽度(mm)；

B、所述被测光学镜头的视场测试过程为：

步骤B1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤B2：靶标使用十字靶，保证靶标与被测光学镜头光轴垂直；

步骤B3：对被测光学镜头的相机进行调焦、对准，使十字丝清晰成像；

步骤B4：支撑调节单元水平方向旋转，使十字丝刚好离开被测光学镜头视场，将支撑调节单元的水平方向清零；

步骤B5：反向旋转支撑调节单元，再次使十字丝刚好离开被测光学镜头视场，记录此时支撑调节单元的水平方向读数，即为被测光学镜头的水平方向视场角；

按照步骤B4、B5的方式，使支撑调节单元俯仰方向转动，测出被测光学镜头的俯仰方向视场角；

C、所述被测光学镜头的焦距测试过程为：

步骤C1：靶标使用星点靶，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴重合；

步骤C2：调节被测光学镜头，直至能清楚看到星点靶所成的像，且位于被测光学镜头的相机靶面中心，固定被测光学镜头的相机，并以此为零点，记录此时被测光学镜头的相机像素坐标；

步骤C3：支撑调节单元水平方向旋转，记录支撑调节单元旋转的角度值及旋转后星点像的中心像素坐标值；

步骤C4：利用数据处理单元，计算星点像中心像素坐标与零点坐标的距离，结合支撑调节单元旋转的角度值，求解出被测光学镜头的焦距；

步骤C5：重复上述步骤C3和步骤C4多次，按照取平均的方式获取准确的焦距值；

D、所述被测光学镜头的畸变测试过程为：

步骤D1：靶标使用星点靶，保证靶标与被测光学镜头的光轴垂直；

步骤D2：对被测光学镜头进行调焦、对准，使整个光路处于0°视场，星点清晰成像且位于被测光学镜头的相机靶面中心，记录此时星点像的弥散圆中心的像素坐标作为起始位置；

步骤D3：支撑调节单元水平方向旋转，沿水平方向按视场角等角度间隔取点测量，记录支撑调节单元旋转的角度值与每次旋转后星点像的弥散圆中心像素坐标值；

步骤D4：计算不同视场下星点像的弥散圆中心像素坐标值与起始位置星点像的弥散圆中心的像素坐标之间的距离，结合被测光学镜头的相机像元尺寸，得到实际测量像高值；

步骤D5：使用全视场畸变和最小的方法计算理论焦距：

式中，y_i′为实际测量得到像高值；

f′为理论焦距；

ω_i为支撑调节单元旋转的角度值；

步骤D6：结合理论焦距，代入畸变表达式求解出被测光学镜头不同视场角下的绝对畸变值D_i：

D_i＝y_i′-f′tanω_i

E、所述被测光学镜头的齐焦测试过程为：

步骤E1：将被测光学镜头放置在支撑调节单元上，将被测光学镜头的相机放置在二维移动平台上；

步骤E2：靶标使用十字靶，对测试装置与被测光学镜头及相机进行穿轴调校；

步骤E3：测定被测光学镜头长焦的最佳像面位置，以其为零位，按长焦到短焦，再由短焦到长焦顺序对被测光学镜头进行焦距调整，依次测定各焦距下的最佳像面位置相对于零位的轴向位移值，轴向位移值沿入射光线方向取值为正，反之为负，其最大位移值与最小位移值之差即为步骤E3的测回的最大相对位移量；

步骤E4：测定被测光学镜头短焦的最佳像面位置为零位，按短焦到长焦，再由长焦到短焦顺序对被测光学镜头进行焦距调整，依次测定各焦距下的最佳像面位置相对于零位的轴向位移值，轴向位移值沿入射光线方向取值为正，反之为负，其最大位移值与最小位移值之差即为步骤E4的测回的最大相对位移量；

步骤E5：比较步骤E3和步骤E4两个测回中相对位移量的较大者作为被测光学镜头的齐焦量；

F、所述被测光学镜头的光轴一致性测试过程为：

步骤F1：靶标使用十字靶，先测定被测光学镜头长焦的最佳像面位置，记录十字丝目标像在被测光学镜头的相机靶面中心的像素坐标，作为零位坐标；

步骤F2：按长焦到短焦，再由短焦到长焦顺序，对被测光学镜头进行焦距调整，依次采集记录各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值；

步骤F3：利用数据处理单元，计算各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值与零点坐标距离，得到不同焦距下光轴晃动所引起的被测光学镜头的相机像元尺寸变化，结合相机像元尺寸及被测光学镜头的焦距，得到最大光轴晃动量θ₁：

式中：D—十字丝目标像与零点坐标距离(像素单位)；

P—相机像元尺寸；

f′——被测光学镜头焦距；

步骤F4：以短焦的最佳像面位置为零位坐标，按短焦到长焦，再由长焦到短焦的顺序进行焦距调整，依次采集记录各焦距下的十字丝目标像的中心像素坐标值，之后按照步骤F3，测得其最大光轴晃动量θ₂；

步骤F5：比较θ₁和θ₂的大小，取较大者为被测光学镜头光轴一致性误差；

G、所述被测光学镜头的弥散斑测试过程为：

步骤G1：在平行光管焦面安装星点靶，作为目标源；

步骤G2：光源前加滤光片照亮平行光管焦面上的星点靶；

步骤G3：对测试装置与被测光学镜头之间进行穿轴调校，使平行光管光轴与被测光学镜头光轴基本重合；

步骤G4：被测光学镜头的相机对星点衍射像进行采集，之后发送至数据处理单元进行处理得到弥散斑的测试结果。

7.根据权利要求6所述的光学镜头综合性能参数测试方法，其特征在于：所述被测光学镜头的焦距测试时满足以下：

条件1：平行光管的物镜像差不影响被测镜头焦距的测量值；

条件2：平行光管的物镜口径应大于被测光学镜头的镜头口径；

条件3：平行光管焦距为被测光学镜头焦距的5倍以上。

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