CN114964677B - 气流扰动和环境振动引起mtf测试误差的校正装置及方法 - Google Patents

气流扰动和环境振动引起mtf测试误差的校正装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种MTF检测装置，具体涉及一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置及方法，以解决现有MTF检测技术中存在的因气流扰动和环境振动，导致MTF检测结果相对于真值出现较大的偏差、检测结果不稳定的问题，该装置通过在传统MTF检测装置的测试靶板设置至少1个离焦星点用于标定气流扰动，且在测试靶板的焦面处设置至少3个用于标定环境振动的不共线星点，通过以下步骤完成气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的同时校正：S1，采集靶标图像；S2，提取波像差；S3，构建广义光瞳函数；S4，计算得到单色MTF；S5，计算得到复色MTF；S6，构建校正函数；S7，校正气流扰动所引起的MTF测试误差；S8，校正环境振动所引起的MTF测试误差。

Description

气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置及方法
技术领域
本发明涉及大口径光学系统和大口径相机MTF的检测装置，具体涉及一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置及方法。
背景技术
分辨率是成像系统最重要的指标之一，根据衍射理论，成像系统的分辨率越高，其光学系统的口径越大。近年来，随着科学技术的快速发展，对成像系统的分辨率要求越来越高，各国先后发展并规划了更大口径的地基望远镜、光电跟踪系统、机载遥感及测绘系统、空间遥感相机、空间望远镜等，其被广泛应用于寻找外星生命、探索宇宙起源及构造、地理测绘、土地规划、资源调查、抗震减灾、气象观测、环境监测、农林畜牧业等领域。
MTF是成像系统点扩散函数(PSF)傅里叶变换的模，也可以理解为成像系统对不同频率本征函数的本征值的模，使用MTF需要成像系统满足线性和空间不变两个前提条件。MTF能够全面反映成像系统的成像质量，在成像系统设计、加工、装配、试验、检验等阶段均有涉及，用于评价成像系统各阶段的成像质量。一般情况下，大口径成像系统的目标均可认为位于无穷远位置。因此，实验室检测大口径成像系统MTF需要采用更大口径的平行光管。
传统MTF检测方法一般采用星点、狭缝、刀口以及条纹板等靶标，通过光刻或激光打孔的加工手段，将相应靶标图案制作于光学玻璃或金属板上。如图1 所示，传统MTF检测装置一般为：在光路上依次安装积分球光源1、测试靶板2 和平行光管3；图2所示，测试靶板2由第一靶标固定装置4、第一安装靠面5、第一靶标6和第一压圈7组成；积分球光源1发出的均匀光照射测试靶板2，测试靶板2固定于平行光管3上，测试靶板2中的靶标刻划面位于平行光管3焦面处；靶标固定装置4上面设计有第一安装靠面5，与第一靶标6的刻划面接触，以实现第一靶标6刻划面位置的精确定位，方便不同靶标间的切换。
对于大口径成像系统而言，受气流扰动和环境振动的影响，MTF检测结果将会出现较大波动，从而使检测结果不稳定，测试误差偏大。受实验室建设成本制约，国内普通光学检测实验室一般采用空调系统进行控温，空调的出风口位置未作专门规划。此外，一般光学实验室与外界环境间也未作专门的隔热措施，存在较大的热交换。前述原因导致实验室气流扰动特性强烈，从而影响大口径成像系统MTF检测结果。实验室中气流扰动的主要影响是导致空气折射率在空间分布的不均匀性，影响空气折射率的因素包括空气的温度、压强、湿度和组成成分，其中温度的不均匀性是导致实验室气流扰动的主要原因。大口径成像系统由于分辨率高，其像元角分辨率一般能达到亚角秒量级甚至更高。因此，进行MTF检测时，实验室人员走动、空调等设备运转、实验室外汽车等均会带来环境振动，导致被测相机和平行光管之间的位置发生变化，从而影响MTF检测结果。可见，气流扰动和环境振动是实验室检测大口径成像系统MTF的主要误差源，而且二者所带来的测试误差均具有随机性，导致MTF检测结果相对于真值出现较大的偏差，且检测结果不稳定，因此对大口径成像系统MTF检测时气流扰动和环境振动的影响进行校正具有重要意义。
发明内容
本发明目的是解决现有MTF检测技术中存在的因气流扰动和环境振动，导致MTF检测结果相对于真值出现较大的偏差、检测结果不稳定的问题，提供一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置以及方法，该装置通过在传统MTF测试靶标上设计用于标定环气流扰动和环境振动标定用星点和离焦星点，使用便捷，且在气流扰动校正用星点的离焦量设置上具有很大的灵活性；通过该装置校正气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的方法提高了大口径成像系统MTF检测结果的稳定性和可靠性，保证对大口径成像系统的像质进行准确评价。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，包括积分球光源、沿积分球光源的出射光路依次设置的测试靶板和平行光管，所述测试靶板包括第一靶标固定装置、设置在第一靶标固定装置上的第一安装靠面、安装在第一安装靠面上的第一靶标、设置在第一靶标的中心区域的第一测试靶标，所述第一靶标的靶标刻划面位于平行光管的焦面处，其特殊之处在于：
所述测试靶板还包括第一校正靶标，第一校正靶标的中心区域镂空；
所述测试靶板的焦面处设置有至少3个不共线的星点以及至少1个离焦星点，其中离焦星点用于标定气流扰动，至少3个不共线的星点用于标定环境振动。
进一步地，远离平行光管的一侧，在第一靶标的边缘区域(即非第一测试靶标的区域)设置有不共线的第一星点、第二星点、第三星点和第一圆孔；第一校正靶标上对应于第一靶标的各星点位置分别设置有第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔，第一校正靶标上对应于第一圆孔位置设置有第一沉孔，第一沉孔内安装有1个离焦星点；第一靶标采用金属或玻璃材质，第一校正靶标采用金属材料；
或者，所述第一校正靶标设置在第一靶标靠近平行光管的一侧；在第一靶标的边缘区域(即非第一测试靶标的区域)分别设置有不共线的第一星点、第二星点、第三星点和第一圆孔；第一校正靶标上对应于第一靶标的各星点位置分别设置有第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔，第一校正靶标在对应于第一圆孔位置设置有第一沉孔，第一沉孔内安装有1个离焦星点；第一靶标采用金属或玻璃材质，第一校正靶标采用金属材料；
或者，所述第一校正靶标设置在第一靶标远离平行光管的一侧，第一靶标的边缘区域(即非第一测试靶标的区域)设置有不共线的第一星点、第二星点、第三星点、第一圆孔、第五圆孔、第六圆孔和第七圆孔；第一校正靶标上对应于第一靶标的各星点位置设置有第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔，并且在第一校正靶标对应于各圆孔的位置分别设置有第一沉孔、第二沉孔、第三沉孔和第四沉孔，各沉孔分别安装有1个离焦星点；
或者，所述第一校正靶标设置在第一靶标远离平行光管的一侧，第一靶标的另一侧设置有第二校正靶标，第一靶标的边缘区域(即非第一测试靶标的区域)设置有不共线的第一星点、第二星点、第三星点和第一圆孔；第一校正靶标和第二校正靶标在对应于第一靶标的各星点位置上设置有第二圆孔、第三圆孔、第四圆孔，第一校正靶标还设置有第八圆孔、第九圆孔、第五沉孔和第六沉孔；第二校正靶标在对应于第八圆孔和第九圆孔的位置分别设置有第七沉孔和第八沉孔，且在第二校正靶标对应于第五沉孔和第六沉孔的位置分别设置有第十圆孔、第十一圆孔；各沉孔分别安装有离焦星点；
或者，在第一校正靶标上设置有第二安装靠面和第三安装靠面，第二安装靠面用于安装第一靶标，第三安装靠面安装在第一靶标固定装置的第一靠面上，且第二安装靠面、第三安装靠面共面；在第一校正靶标上设置有第九沉孔、第十沉孔、第十一沉孔、第十二沉孔、第十三沉孔、第十四沉孔和第十五沉孔；第九沉孔、第十沉孔和第十一沉孔下沉量相同，每个沉孔内各安装有1个校正星点；第十二沉孔、第十三沉孔、第十四沉孔和第十五沉孔的下沉量与第十一沉孔的下沉量各不相同，且每个沉孔内各安装有1个离焦星点。
同时，本发明提供一种基于该装置的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，打开MTF检测装置中的探测器连续采集多幅靶标图像；
S2，分析步骤S1所采集的靶标图像中星点的图像，获取各幅靶标图像采集时对应的波像差数据；
S3，根据步骤S2的波像差数据构建广义光瞳函数；
S4，根据步骤S3构建的广义光瞳函数计算得到单色MTF；
S5，根据步骤S3构建的广义光瞳函数和S4得到的单色MTF获取复色MTF；
S6，根据步骤S5得到的复色MTF构建气流扰动校正函数；
S7，校正气流扰动所引起的MTF测试误差；
S8，校正环境振动所引起的MTF测试误差。
进一步地，步骤S2具体为：利用相位恢复法分析步骤S1所采集的靶标图像中气流扰动校正用星点的图像，可以得到各图像采集时对应的波像差，记为 Wm，其中：m＝1,2,3,…,M为所采集图像的序号，M为所采集图像的总数量。
进一步地，步骤S3具体为：由步骤S3所得的波像差构建广义光瞳函数P(x,y)，其中：(x,y)为大口径成像系统光瞳面上的坐标；广义光瞳函数包括大口径成像系统光瞳几何函数Pgeo(x,y)和光学系统波像差W(x,y)两部分：
P(x,y)＝Pgeo(x,y)ejkW(x,y)
式中：j为虚数单位，j2＝-1；k＝2π/λ为大口径成像系统的波数，λ为工作波长。
进一步地，步骤S4具体为：利用广义光瞳函数的自相关运算并取模，即可得到单色MTF：
Figure BDA0003667049770000051
式中：
Figure BDA0003667049770000052
为自相关运算符；|·|表示取模运算；
此外，通过对广义光瞳函数依次进行两次傅里叶变换来计算，也可以得到 MTF。首先，对广义光瞳函数进行傅里叶变换，并取其模的平方，可以得到PSF：
Figure BDA0003667049770000053
式中：(p,q)为大口径成像系统像面上的坐标；
再次对PSF进行傅里叶变换并取模，即可得到单色MTF：
Figure BDA0003667049770000054
在(4)式中：fx为X方向上的空间频率,fy为Y方向上的空间频率。
进一步地，步骤S5具体为：根据步骤S3构建的广义光瞳函数和S4得到的单色MTF，计算相应波长n处的PSFn，对PSFn进行加权求和，得到复色PSF：
Figure BDA0003667049770000055
式中，ηn为相应波长处的光谱响应率，n＝1,2,3,…,N，为所设置各个波长点的序号，N为波长点总数；
对复色PSF进行傅里叶变换并取模，根据相位恢复法计算得到复色MTF。
进一步地，步骤S6具体为：根据步骤S5得到的复色MTF构建气流扰动校正函数，根据第m幅图像的波像差
Figure BDA0003667049770000056
以及根据各幅图像波像差均值计算的像波像差均值
Figure BDA0003667049770000061
得到每幅图像受气流扰动所引起的MTF测试误差校正函数MTFcam：
Figure BDA0003667049770000062
进一步地，步骤S7具体为：将MTFcam直接与通过传统MTF测试用靶标所得到的MTF测试结果相乘，即可实现气流扰动所引起MTF测试误差的校正。
进一步地，步骤S8具体为：推导环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv；根据步骤S7所得的果MTF气流扰动误差校正结果取各MTF的平均值，再将其与环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv相乘，进而实现环境振动所引起MTF 测试误差的校正,MTF测试误差校正函数MTFcv为：
Figure BDA0003667049770000063
式中，σ为环境振动引起星点位置变化的标准差，fx为X方向上的空间频率,fy为Y方向上的空间频率。
进一步地，步骤S8中，所述MTF测试误差校正函数MTFcv推导过程如下：
步骤一，采用质心算法提取大口径成像系统所成三个星点像的位置，分别记为：(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)。质心算法计算公式如下：
Figure BDA0003667049770000064
式中：xk，yk为星点像的质心位置，k＝1,2,3；u＝1,2,…,U为参与质心计算的图像数据的行序号，U为总行数；v＝1,2,…,V为参与质心计算的图像数据的列序号，V为总列数；Iuv为星点图像(u,v)处的灰度值；
步骤二，扣除质心算法位置提取误差；质心算法自身存在一定的误差，三个星点像位置的质心算法误差记为：(Δx1,Δy1)，(Δx2,Δy2)，(Δx3,Δy3)，当扣除质心算法位置提取误差后，三个星点像的相对位置关系将保持稳定，将三个星点之间距离分别记为d12，d13和d23，将三个星点之间的角度分别记为θ1，θ2和θ3，根据三个星点之间的坐标，可得：
Figure BDA0003667049770000071
式中：x1'＝x1-Δx1，y1'＝y1-Δy1，x2'＝x2-Δx2，y2'＝y2-Δy2，x3'＝x3-Δx3， y3'＝y3-Δy3，，为扣除质心算法提取误差后，三个星点像的位置；
步骤三，连续采集多幅靶标图像，并取所有靶标图像中三个星点位置的平均值作为其真值；受星靶加工误差的影响，d12，d13，d23，θ1，θ2和θ3的真值难以得到，在实际使用时，可以连续采集多幅刀口靶图像，并取所有图像中三个星点位置的平均值作为其真值，分别记为：
Figure BDA0003667049770000072
据此，可以按下式计算三个星点间的位置关系：
Figure BDA0003667049770000073
步骤四，根据步骤二和步骤三解算出各幅靶标图像中三个星点的质心误差Δx1，Δy1，Δx2，Δy2，Δx3，Δy3；
步骤五，按三个星点的质心误差的平均值计算环境振动量；
按照下式可以得到各个星点处环境振动引起的位置变化δx1，δy1，δx2，δy2，δx3，δy3：
Figure BDA0003667049770000081
环境振动所引起的三个星点位置的变化量是一致的，因此，环境振动量可以按三个星点处质心位置变化量的平均值计算：
Figure BDA0003667049770000082
式中：
Figure BDA0003667049770000083
分别表示环境振动引起的位置变化量；
步骤六，根据步骤无获得的环境振动量，用高斯函数进行模拟环境振动PSF，经过傅里叶变换得到环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv；
环境振动引起MTF测试误差校正函数：环境振动一般具有随机性，其PSF 可以用高斯函数进行模拟：
Figure BDA0003667049770000084
式中：σ根据环境振动引起星点位置变化的标准差来计算。
对PSFCV进行傅里叶变换，即可得到环境振动引起MTF测试误差校正函数：
Figure BDA0003667049770000085
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提到气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置通过在传统MTF测试靶标上设计用于标定环气流扰动和环境振动标定用星点和离焦星点，使用便捷，且在气流扰动校正用星点的离焦量设置上具有很大的灵活性；
2.本发明提到气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置所设计的 MTF测试靶板，可以获取MTF检测时的气流扰动和环境振动特性，并构建了相应的误差校正函数，有效提高了大口径成像系统MTF的检测精度；
3.本发明提到气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置适用于大口径光学系统和大口径相机MTF检测，可以有效克服气流扰动和环境振动对MTF 测试的影响；
4.本发明提到的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正，可以同时采集焦面和离焦后星点的图像，利用相位恢复法，即可获取气流扰动特性，提高了大口径成像系统MTF检测结果的稳定性；利用质心算法提取星点序列的位置，结合星点序列间固有的距离和角度关系，可以扣除质心算法的误差，并提高环境振动所引起MTF测试误差校正函数的可靠性。
附图说明
图1为MTF检测装置基本组成示意图；
图2为现有技术MTF测试用靶板剖面结构示意图；
图3为本发明实施例一的MTF测试用靶板剖面结构示意图；
图4为本发明实施例一的第一靶标平面结构示意图；
图5为本发明实施例一的第一校正用靶标平面结构示意图；
图6为本发明实施例三的MTF测试用靶板剖面结构示意图；
图7为本发明实施例三的MTF测试用靶板剖面结构示意图；
图8为本发明实施例四的第一靶标平面结构示意图；
图9为本发明实施例四的第一校正用靶标平面结构示意图；
图10为本发明实施例五的MTF测试用靶板剖面结构示意图；
图11为本发明实施例五的第二校正用靶标平面结构示意图；
图12为本发明实施例五的第三校正用靶标平面结构示意图；
图13为本发明实施例六的MTF测试用靶板剖面结构示意图；
图14为本发明实施例六的第四校正用靶标平面结构示意图；
附图标记如下：
1-积分球光源,2-测试靶板，3-平行光管，4-第一靶标固定装置，5-第一安装靠面，6-第一靶标，7-第一压圈，8-第一校正靶标，9-第一测试靶标，10-第一星点，11-第二星点，12-第三星点，13-第一圆孔，14-第二圆孔，15-第三圆孔，16-第四圆孔，17-第一沉孔，19-第二压圈，20-第五圆孔，21-第六圆孔， 22-第七圆孔，23-第二沉孔，24-第三沉孔，25-第四沉孔，26-第二校正靶标， 28-第五沉孔，29-第六沉孔，30-第八圆孔，31-第九圆孔，32-第十圆孔，33- 第十一圆孔，34-第七沉孔，35-第八沉孔，38-第二安装靠面，39-第三安装靠面，41-第九沉孔，42-第十沉孔，43-第十一沉孔，44-第十二沉孔，45-第十三沉孔，46-第十四沉孔，47-第十五沉孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明提供了一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，包括积分球光源1、沿积分球光源1的出射光路依次设置的测试靶板2和平行光管 3，所述测试靶板2包括第一靶标固定装置4、设置在第一靶标固定装置4上的第一安装靠面5、安装在第一安装靠面5上的第一靶标6、设置在第一靶标6的中心区域的第一测试靶标9，第一靶标6的靶标刻划面位于平行光管3的焦面处，测试靶板2还包括第一校正靶标8，第一校正靶标8的中心区域镂空；测试靶板 2的焦面处设置有至少3个不共线的星点以及至少1个离焦星点。
实施例一
本发明提供了一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，如图3所示，远离平行光管3的一侧，在第一靶标6的边缘区域设置有不共线的第一星点10、第二星点11、第三星点12和第一圆孔13；如图5所示第一校正靶标8上对应于第一靶标6的各星点位置分别设置有第二圆孔14、第三圆孔15 和第四圆孔16，第一校正靶标8上对应于第一圆孔13位置设置有第一沉孔17，第一沉孔17内安装有1个离焦星点；第一靶标6和第一校正靶标8均采用金属材料。
本发明还提供了一种基于该装置的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，包括以下步骤：
S1，打开MTF检测装置中的探测器连续采集多幅靶标图像；
S2，分析步骤S1所采集的靶标图像中星点的图像，得到各付图像采集时对应的波像差，记为Wm，其中：m＝1,2,3,…,M为所采集图像的序号，M为所采集图像的总数量；
S3，根据步骤S2的波像差数据构建广义光瞳函数；由步骤S2所得的波像差构建广义光瞳函数P(x,y)，其中：(x,y)为大口径成像系统光瞳面上的坐标；广义光瞳函数包括大口径成像系统光瞳几何函数Pgeo(x,y)和光学系统波像差 W(x,y)两部分：
P(x,y)＝Pgeo(x,y)ejkW(x,y)
式中：j为虚数单位，j2＝-1；k＝2π/λ为大口径成像系统的波数，λ为工作波长；
S4，通过对广义光瞳函数的自相关运算并取模得到单色MTF，或者，对广义光瞳函数依次进行两次傅里叶变换得到单色MTF；
利用广义光瞳函数的自相关运算并取模，即可得到单色MTF：
Figure BDA0003667049770000111
式中：
Figure BDA0003667049770000112
为自相关运算符；|·|表示取模运算；
此外，通过对广义光瞳函数依次进行两次傅里叶变换来计算，也可以得到 MTF。首先，对广义光瞳函数进行傅里叶变换，并取其模的平方，可以得到PSF：
Figure BDA0003667049770000113
式中：(p,q)为大口径成像系统像面上的坐标；再次对PSF进行傅里叶变换并取模，即可得到单色MTF：
Figure BDA0003667049770000114
式中：(fx,fy)为空间频率；
S5，根据步骤S3构建的广义光瞳函数和S4得到的单色MTF，计算相应波长 n处的PSFn，对PSFn进行加权求和，得到复色PSF：
Figure BDA0003667049770000121
式中，ηn为相应波长处的光谱响应率，n＝1,2,3,…,N，为所设置各个波长点的序号，N为波长点总数；
对复色PSF进行傅里叶变换并取模，根据相位恢复法计算得到复色MTF；
S6，根据步骤S5得到的复色MTF构建气流扰动校正函数：根据第m幅图像的波像差
Figure BDA0003667049770000122
以及根据各幅图像波像差均值计算的像波像差均值
Figure BDA0003667049770000123
得到每幅图像受气流扰动所引起的MTF测试误差校正函数MTFcam：
Figure BDA0003667049770000124
S7，将步骤S6中所得MTFcam直接与通过传统MTF测试用靶标所得到的MTF 测试结果相乘，进而实现气流扰动所引起MTF测试误差的校正；
S8，推导环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv，推导过程如下：
步骤一，采用质心算法提取大口径成像系统所成三个星点像的位置，分别记为：(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)。质心算法计算公式如下：
Figure BDA0003667049770000125
式中：xk，yk为星点像的质心位置，k＝1,2,3；u＝1,2,…,U为参与质心计算的图像数据的行序号，U为总行数；v＝1,2,…,V为参与质心计算的图像数据的列序号，V为总列数；Iuv为星点图像(u,v)处的灰度值；
步骤二，扣除质心算法位置提取误差；质心算法自身存在一定的误差，三个星点像位置的质心算法误差记为：(Δx1,Δy1)，(Δx2,Δy2)，(Δx3,Δy3)，当扣除质心算法位置提取误差后，三个星点像的相对位置关系将保持稳定，将三个星点之间距离分别记为d12，d13和d23，将三个星点之间的角度分别记为θ1，θ2和θ3，根据三个星点之间的坐标，可得：
Figure BDA0003667049770000131
式中：x1'＝x1-Δx1，y1'＝y1-Δy1，x2'＝x2-Δx2，y2'＝y2-Δy2，x3'＝x3-Δx3， y3'＝y3-Δy3，，为扣除质心算法提取误差后，三个星点像的位置；
步骤三，连续采集多幅靶标图像，并取所有靶标图像中三个星点位置的平均值作为其真值；受星靶加工误差的影响，d12，d13，d23，θ1，θ2和θ3的真值难以得到，在实际使用时，可以连续采集多幅刀口靶图像，并取所有图像中三个星点位置的平均值作为其真值，分别记为：
Figure BDA0003667049770000132
据此，可以按下式计算三个星点间的位置关系：
Figure BDA0003667049770000133
步骤四，根据步骤二和步骤三解算出各幅靶标图像中三个星点的质心误差Δx1，Δy1，Δx2，Δy2，Δx3，Δy3；
步骤五，按三个星点的质心误差的平均值计算环境振动量；
按照下式可以得到各个星点处环境振动引起的位置变化δx1，δy1，δx2，δy2，δx3，δy3：
Figure BDA0003667049770000141
环境振动所引起的三个星点位置的变化量是一致的，因此，环境振动量可以按三个星点处质心位置变化量的平均值计算：
Figure BDA0003667049770000142
式中：
Figure BDA0003667049770000143
分别表示环境振动引起的位置变化量；
步骤六，根据步骤无获得的环境振动量，用高斯函数进行模拟环境振动PSF，经过傅里叶变换得到环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv；
环境振动引起MTF测试误差校正函数：环境振动一般具有随机性，其PSF 可以用高斯函数进行模拟：
Figure BDA0003667049770000144
式中：σ根据环境振动引起星点位置变化的标准差来计算。
对PSFCV进行傅里叶变换，即可得到环境振动引起MTF测试误差校正函数：
Figure BDA0003667049770000145
根据步骤S7所得的果MTF气流扰动误差校正结果取各MTF的平均值，再将其与环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv相乘，进而实现环境振动所引起 MTF测试误差的校正。
实施例一提供的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置以及校正方法经过发明人多次使用验证，特别适用于口径在300mm以上的高分辨率成像系统，解决了现有技术中存在的MTF检测结果相对于真值出现较大的偏差、检测结果不稳定的问题，该装置通过在传统MTF测试靶标上设计用于标定环气流扰动和环境振动标定用星点和离焦星点，使用便捷，且在气流扰动校正用星点的离焦量设置上具有很大的灵活性；通过该装置校正气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的方法提高了大口径成像系统MTF检测结果的稳定性和可靠性，保证对大口径成像系统的像质进行准确评价。
实施例二
本发明提供了一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，如图4所示，远离平行光管3的一侧，在第一靶标6的边缘区域设置有不共线的第一星点10、第二星点11、第三星点12和第一圆孔13；如图5所示第一校正靶标8上对应于第一靶标6的各星点位置分别设置有第二圆孔14、第三圆孔15 和第四圆孔16，第一校正靶标8上对应于第一圆孔13位置设置有第一沉孔17，第一沉孔17内安装有1个离焦星点；第一靶标6采用玻璃材料，第一校正靶标 8采用金属材料。
本发明还提供了一种基于该装置的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，实施步骤与实施例一相同。
实施例三
本发明提供了一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，如图6、图7所示，该装置的第一校正靶标8设置在第一靶标6靠近平行光管3的一侧；在第一靶标6的边缘区域分别设置有不共线的第一星点10、第二星点11、第三星点12和第一圆孔13；第一校正靶标8上对应于第一靶标6的各星点位置分别设置有第二圆孔14、第三圆孔15和第四圆孔16，第一校正靶标8在对应于第一圆孔13位置设置有第一沉孔17，第一沉孔17内安装有1个离焦星点；第一靶标6采用金属或玻璃材质，第一校正靶标8采用金属材料。
本发明还提供了一种基于该装置的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，实施步骤与实施例一相同。
实施例四
本发明提供了一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，如图8所示，该装置的第一校正靶标8设置在第一靶标6远离平行光管3的一侧，第一靶标6的边缘区域设置有不共线的第一星点10、第二星点11、第三星点12、第一圆孔13、第五圆孔20、第六圆孔21和第七圆孔22；如图9所示，第一校正靶标8上对应于第一靶标6的各星点位置设置有第二圆孔14、第三圆孔15和第四圆孔16，并且在第一校正靶标8对应于各圆孔的位置分别设置有第一沉孔 17、第二沉孔23、第三沉孔24和第四沉孔25，各沉孔分别安装有1个离焦星点。
本发明还提供了一种基于该装置的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，实施步骤与实施例一相同。
实施例五
本发明提供了一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，如图10所示，该装置的第一校正靶标8设置在第一靶标6远离平行光管3的一侧，第一靶标6的另一侧设置有第二校正靶标26，第一靶标6的边缘区域设置有不共线的第一星点10、第二星点11、第三星点12和第一圆孔13；如图11所示，第一校正靶标8和第二校正靶标26在对应于第一靶标6的各星点位置上设置有第二圆孔14、第三圆孔15、第四圆孔16，第一校正靶标8还设置有第八圆孔 30、第九圆孔31、第五沉孔28和第六沉孔29；第二校正靶标26在对应于第八圆孔30和第九圆孔31的位置分别设置有第七沉孔34和第八沉孔35，且在第二校正靶标26对应于第五沉孔28和第六沉孔29的位置分别设置有第十圆孔32、第十一圆孔33；各沉孔分别安装有离焦星点。
本发明还提供了一种基于该装置的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，实施步骤与实施例一相同。
实施例六
本发明提供了一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，如图13所示，该装置的第一校正靶标8上设置有第二安装靠面38和第三安装靠面39，第二安装靠面38用于安装第一靶标6，第三安装靠面39安装在第一靶标固定装置4的第一靠面5上，且第二安装靠面38、第三安装靠面39共面；如图14所示，在第一校正靶标8上设置有第九沉孔41、第十沉孔42、第十一沉孔43、第十二沉孔44、第十三沉孔45、第十四沉孔46和第十五沉孔47；第九沉孔41、第十沉孔42和第十一沉孔43下沉量相同，每个沉孔内各安装有1个校正星点；第十二沉孔44、第十三沉孔45、第十四沉孔46和第十五沉孔47的下沉量与第十一沉孔43的下沉量各不相同，且每个沉孔内各安装有1个离焦星点。
本发明还提供了一种基于该装置的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，实施步骤与实施例一相同。
通过实施例一至实施例六可知该装置通过在传统MTF测试靶标上设计用于标定环气流扰动和环境振动标定用星点和离焦星点，使用便捷，且在气流扰动校正用星点的离焦量设置上具有很大的灵活性；通过该装置校正气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的方法提高了大口径成像系统MTF检测结果的稳定性和可靠性，保证对大口径成像系统的像质进行准确评价。

Claims (10)

1.一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，包括积分球光源(1)、沿积分球光源(1)的出射光路依次设置的测试靶板(2)和平行光管(3)，所述测试靶板(2)包括第一靶标固定装置(4)、设置在第一靶标固定装置(4)上的第一安装靠面(5)、安装在第一安装靠面(5)上的第一靶标(6)、设置在第一靶标(6)的中心区域的第一测试靶标(9)，所述第一靶标(6)的靶标刻划面位于平行光管(3)的焦面处，其特征在于：
所述测试靶板(2)还包括第一校正靶标(8)，第一校正靶标(8)的中心区域镂空；
所述测试靶板(2)的焦面处设置有至少3个不共线的星点以及至少1个离焦星点。
2.根据权利要求1所述的气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正装置，其特征在于：
远离平行光管(3)的一侧，在第一靶标(6)的边缘区域设置有不共线的第一星点(10)、第二星点(11)、第三星点(12)和第一圆孔(13)；第一校正靶标(8)上对应于第一靶标(6)的各星点位置分别设置有第二圆孔(14)、第三圆孔(15)和第四圆孔(16)，第一校正靶标(8)上对应于第一圆孔(13)位置设置有第一沉孔(17)，第一沉孔(17)内安装有1个离焦星点；第一靶标(6)采用金属或玻璃材质，第一校正靶标(8)采用金属材料；
或者，所述第一校正靶标(8)设置在第一靶标(6)靠近平行光管(3)的一侧；在第一靶标(6)的边缘区域分别设置有不共线的第一星点(10)、第二星点(11)、第三星点(12)和第一圆孔(13)；第一校正靶标(8)上对应于第一靶标(6)的各星点位置分别设置有第二圆孔(14)、第三圆孔(15)和第四圆孔(16)，第一校正靶标(8)在对应于第一圆孔(13)位置设置有第一沉孔(17)，第一沉孔(17)内安装有1个离焦星点；第一靶标(6)采用金属或玻璃材质，第一校正靶标(8)采用金属材料；
或者，所述第一校正靶标(8)设置在第一靶标(6)远离平行光管(3)的一侧，第一靶标(6)的边缘区域设置有不共线的第一星点(10)、第二星点(11)、第三星点(12)、第一圆孔(13)、第五圆孔(20)、第六圆孔(21)和第七圆孔(22)；第一校正靶标(8)上对应于第一靶标(6)的各星点位置设置有第二圆孔(14)、第三圆孔(15)和第四圆孔(16)，并且在第一校正靶标(8)对应于各圆孔的位置分别设置有第一沉孔(17)、第二沉孔(23)、第三沉孔(24)和第四沉孔(25)，各沉孔分别安装有1个离焦星点；
或者，所述第一校正靶标(8)设置在第一靶标(6)远离平行光管(3)的一侧，第一靶标(6)的另一侧设置有第二校正靶标(26)，第一靶标(6)的边缘区域设置有不共线的第一星点(10)、第二星点(11)、第三星点(12)和第一圆孔(13)；第一校正靶标(8)和第二校正靶标(26)在对应于第一靶标(6)的各星点位置上设置有第二圆孔(14)、第三圆孔(15)、第四圆孔(16)，第一校正靶标(8)还设置有第八圆孔(30)、第九圆孔(31)、第五沉孔(28)和第六沉孔(29)；第二校正靶标(26)在对应于第八圆孔(30)和第九圆孔(31)的位置分别设置有第七沉孔(34)和第八沉孔(35)，且在第二校正靶标(26)对应于第五沉孔(28)和第六沉孔(29)的位置分别设置有第十圆孔(32)、第十一圆孔(33)；各沉孔分别安装有离焦星点；
或者，在第一校正靶标(8)上设置有第二安装靠面(38)和第三安装靠面(39)，第二安装靠面(38)用于安装第一靶标(6)，第三安装靠面(39)安装在第一靶标固定装置(4)的第一靠面(5)上，且第二安装靠面(38)、第三安装靠面(39)共面；在第一校正靶标(8)上设置有第九沉孔(41)、第十沉孔(42)、第十一沉孔(43)、第十二沉孔(44)、第十三沉孔(45)、第十四沉孔(46)和第十五沉孔(47)；第九沉孔(41)、第十沉孔(42)和第十一沉孔(43)下沉量相同，每个沉孔内各安装有1个校正星点；第十二沉孔(44)、第十三沉孔(45)、第十四沉孔(46)和第十五沉孔(47)的下沉量与第十一沉孔(43)的下沉量各不相同，且每个沉孔内各安装有1个离焦星点。
3.一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，基于权利要求1至2之任一所述气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校准装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1，打开MTF检测装置中的探测器连续采集多幅靶标图像；
S2，分析步骤S1所采集的靶标图像中星点的图像，获取各幅靶标图像采集时对应的波像差数据；
S3，根据步骤S2的波像差数据构建广义光瞳函数；
S4，根据步骤S3构建的广义光瞳函数计算得到单色MTF；
S5，根据步骤S3构建的广义光瞳函数和S4得到的单色MTF获取复色MTF；
S6，根据步骤S5得到的复色MTF构建气流扰动校正函数；
S7，校正气流扰动所引起的MTF测试误差；
S8，校正环境振动所引起的MTF测试误差。
4.根据权利要求3所述的一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，其特征在于：
步骤S2具体为：利用相位恢复法分析步骤S1所采集的靶标图像中气流扰动校正用的星点图像，可以得到各图像采集时对应的波像差，记为Wm，其中：m＝1,2,3,M为所采集图像的序号，M为所采集图像的总数量。
5.根据权利要求4所述的一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，其特征在于：
步骤S3具体为：由步骤S2所得的波像差构建广义光瞳函数P(x,y)，其中：(x,y)为大口径成像系统光瞳面上的坐标；广义光瞳函数包括大口径成像系统光瞳几何函数Pgeo(x,y)和光学系统波像差W(x,y)两部分：
P(x,y)＝Pgeo(x,y)ejkW(x,y)
式中：j为虚数单位，j2＝-1；k＝2π/λ为大口径成像系统的波数，λ为工作波长。
6.根据权利要求5所述的一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，其特征在于：
步骤S4具体为：通过对广义光瞳函数的自相关运算并取模得到单色MTF，或者，对广义光瞳函数依次进行两次傅里叶变换得到单色MTF。
7.根据权利要求6所述的一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，其特征在于：
步骤S5具体为：根据步骤S3构建的广义光瞳函数和S4得到的单色MTF，计算相应波长n处的PSFn，对PSFn进行加权求和，得到复色PSF：
式中，ηn为相应波长处的光谱响应率，n＝1,2,3,…,N，为所设置各个波长点的序号，N为波长点总数；
对复色PSF进行傅里叶变换并取模，根据相位恢复法计算得到复色MTF。
8.根据权利要求7所述的一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，其特征在于：
步骤S6具体为：根据第m幅图像的波像差以及根据各幅图像波像差均值计算的像波像差均值得到每幅图像受气流扰动所引起的MTF测试误差校正函数MTFcam：
9.根据权利要求8所述的一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，其特征在于：
步骤S7具体为：将步骤S6中所得MTFcam直接与通过传统MTF测试用靶标所得到的MTF测试结果相乘，进而实现气流扰动所引起MTF测试误差的校正；
步骤S8具体为：推导环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv；根据步骤S7所得的果MTF气流扰动误差校正结果取各MTF的平均值，再将其与环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv相乘，进而实现环境振动所引起MTF测试误差的校正,MTF测试误差校正函数MTFcv为：
式中，σ为环境振动引起星点位置变化的标准差，fx为X方向上的空间频率,fy为Y方向上的空间频率。
10.根据权利要求9所述的一种气流扰动和环境振动引起MTF测试误差的校正方法，其特征在于：
步骤S8中，所述推导环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv具体为：
步骤一，采用质心算法提取大口径成像系统所成三个星点像的位置；
步骤二，扣除质心算法位置提取误差；
步骤三，连续采集多幅靶标图像，并取所有靶标图像中三个星点位置的平均值作为其真值；
步骤四，根据步骤二和步骤三解算出各幅靶标图像中三个星点的质心误差；
步骤五，按三个星点的质心误差的平均值计算环境振动量；
步骤六，根据步骤五获得的环境振动量，用高斯函数进行模拟环境振动PSF，经过傅里叶变换得到环境振动引起MTF测试误差校正函数MTFcv。
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