CN106248351B - 基于光学系统鬼像测量装置的光学系统鬼像测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于光学系统鬼像测量装置的光学系统鬼像测量方法，将一束准直扩束光束分为两路，并且透射准直光束的指向不变，通过双路旋转式轴向指向可调分光系统，可实现分光光路绕透射光轴夹角锥面旋转，通过鬼像测试，可得到待测光学系统的三维空间鬼像位置的分布，另外，也可在光学镜头设计阶段对鬼像分布进行测量，及时对光学镜头进行调整，避免后期光学系统鬼像的出现；可以通过主控系统的调整，自动、快速的获取光学系统形成鬼像的入射光位置以及能量，测试过程稳定、可靠，并能极大的提高测试效率，非常适合在工程测试中应用。

Description

基于光学系统鬼像测量装置的光学系统鬼像测量方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种光学系统鬼像测量装置及其测量方法。

背景技术

为了提高光电探测系统对远距离和弱目标的探测能力，就要尽量增大光学系统口径，设法提高光学系统对杂散光的抑制水平，从而提高整个系统的信噪比；为了实现在靶场复杂环境下对目标轮廓和姿态的测量，就要利用不同目标的光谱辐射特性来实现光电系统多光谱测量，在该过程中就要通过抑制各个谱段的杂散光能量来提高光电系统性能。

杂散光是指能够到达光电系统探测器靶面的非目标成像的光能量，它的存在会导致光学系统的输出噪声的增加，从而使像面对比度的降低，严重时会使系统输出的目标信号完全湮没在噪声中，影响到光学系统的有效作用距离和分辨能力。

根据杂散光的来源可以将杂散光分为：外部非成像杂散光、成像杂散光和内部热辐射杂散光。成像杂散光指的是光学系统成像时，由于光学元件表面的残余反射导致部分成像光线在光学系统内部以非正常光路到达像面，形成光噪声的杂散光，主要表现为鬼像和冷反射现象。

冷反射现象主要存在在具有制冷型探测器的红外光学系统中，指探测器自身的像被反射到靶面形成新的噪声图像的现象。而鬼像指的是由于光学元件表面的残余反射导致部分成像光线在光学系统光路中汇聚形成的像。对于光学系统的研发来说，鬼像的测试是十分必要的，尤其是对大口径、多光谱、变焦光电测试设备，其鬼像的测试、分析、定位工作将直接关系光学系统的成像质量，所以建立一款高效测量光学系统鬼像的测量装置是非常必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够快速准确测量光学系统鬼像的测量装置及测量方法。

本发明的技术解决方案是提供一种光学系统鬼像测量装置，其特别之处在于：沿光路依次设置有光源、扩束准直系统、双路旋转式轴向指向可调分光系统和待测光学系统；

上述光源上设置有大动态范围亮度计，用来实时测量待测光学系统正常成像时的光源亮度和出现鬼像时的光源亮度；该光源的出射端设置有可调目标机构，出射光源通过可调目标机构形成目标光束；

上述双路旋转式轴向指向可调分光系统包括分光组件、旋转组件、轴向伸缩组件、折轴镜、指向调整组件以及支撑组件；

上述分光组件设置于轴向伸缩组件的一端，其中心位于扩束准直系统出射光束的光轴上；

上述指向调整组件设置于轴向伸缩组件的另一端；

上述折轴镜安装于指向调整组件上；该折轴镜的反射光轴与分光组件的透射光轴之间的夹角角度通过指向调整组件调整；折轴镜与分光组件之间的距离通过轴向伸缩组件调整；在指向调整组件角度调整过程中通过距离调节保证折轴镜的反射光束位于待测光学系统的入瞳位置；

上述旋转组件的一侧和轴向伸缩组件固连，另一侧通过转轴和支撑组件连接；旋转组件的转轴和扩束准直系统的出射光束的光轴重合；旋转组件能够带动轴向伸缩组件、分光组件、折轴镜及指向调整组件绕扩束准直系统的出射光束的光轴旋转。

本发明光学系统鬼像测量装置还包括主控系统，上述主控系统包括和光源连接光源控制模块、和可调目标机构连接的、和旋转组件连接旋转组件控制模块、和指向调整组件连接的指向调整组件控制模块、和轴向伸缩组件连接的轴向伸缩组件控制模块；光源控制模块用以控制光源组件输出辐亮度；可调目标机构控制模块用以控制可调目标机构目标板运动的；旋转组件控制模块用以控制旋转组件转动；指向调整组件控制模块用以控制指向调整组件角度变化；轴向伸缩组件控制模块用以控制轴向伸缩组件运动。

为了对待测光学系统和扩束准直系统进行姿态调整，本发明光学系统鬼像测量装置还包括第一姿态调整仪和第二姿态调整仪，上述第一姿态调整仪位于扩束准直系统出射光束的光轴外，上述第二姿态调整仪承载待测光学系统，上述主控系统还包括第一姿态调整仪和第二姿态调整仪的控制模块，用来控制第一姿态调整仪和第二姿态调整仪，可实现方位、俯仰、横滚、偏摆和升降运动。

上述第一姿态调整仪和第二姿态调整仪是多维调整机构，可根据待测光学系统的实际情况，在测试初始阶段实现快速对准调整。

为了能够适应不同的待测系统，上述可调目标机构包括多目标自动替换旋转台以及设置在多目标自动替换旋转台上的多种目标板；该多种目标板均为星点板；多种星点板的星孔直径不同，可根据实际的待测系统的参数选择合适星孔直径的星点板。

为了能够提供均匀的光源，上述光源为积分球光源，该积分球光源氙灯和卤钨灯混合光源，氙灯与卤钨灯的出射光路上设有可变光阑，可实现积分球光源出光口亮度的调节，积分球光源的动态范围可达120dB。

为了在准直过程中，尽量不引入杂散光，上述扩束准直系统采用双镜形式的离轴反射光学系统，其中主镜为球面镜。

上述分光组件为分光棱镜，该分光棱镜和折轴镜的面形精度达到λ/50，其中λ＝632.8nm，这样分光后几乎不会引入像差。

本发明还提供了一种光学系统鬼像测量方法，包括以下步骤：

步骤一：点亮光源，待其稳定；

步骤二：根据待测光学系统的具体参数，按照光学系统衍射公式，具体公式如公式(1)，计算测试时需要选择的星孔直径，并从可调目标机构中选择合适的星孔移入积分球光源的出光口处；

其中：d为星孔直径，单位为mm；

λ为工作中心波长，单位为mm；

f为扩束准直系统的焦距，单位为mm；

D为待测光学系统的入瞳直径，单位为mm；

步骤三：待测光学系统开机后对分光组件的透射光束成像；在该过程中不需要折轴镜的反射光束成像，因此，可以通过调整指向调整组件和轴向伸缩组件调整折轴镜的出射光束不在待测光学系统的入瞳处；主控系统调整第一姿态调整仪和第二姿态调整仪的姿态，使得待测光学系统的光轴或视轴与扩束准直系统的光轴平行；

步骤四：通过主控系统调整光源亮度L；在保持光源亮度不变的情况下，通过主控系统调整指向调整组件，控制轴向伸缩组件，保证折轴镜的出射光束覆盖待测光学系统的入瞳；同时通过主控系统调整旋转组件转动；每调整一次指向调整组件和旋转组件，记录相应的折轴镜的反射光轴指向与分光组件透射光轴指向之间的夹角θ和旋转组件转动角度ω；待测光学系统采集图像，查看所采集图像中有无鬼像，筛选具有鬼像时对应的L、θ和ω；

步骤五：改变光源亮度L，重复步骤四，记录不同θ和不同ω对应的鬼像信息。

在获得鬼像信息后还可以根据公式(2)和公式(3)计算待测光学系统正常成像时的入瞳照度与出现鬼像时的入瞳照度；

其中：d为星孔直径，单位为mm；

f为扩束准直系统的焦距，单位为mm；

L_正常为测量光学系统正常成像时的光源亮度，单位为W/m²·sr；

L_鬼像为测量光学系统出现鬼像时的光源亮度，单位为W/m²·sr；

τ_透为分光组件透射光路透过率；

τ_分为分光组件分光光路透过率；

τ为扩束准直系统的透过率。

通过获得的鬼像信息和待测光学系统正常成像与形成鬼像的入瞳处的照度关系，可以经过理论计算对光学系统的结构进行改进，避免产生鬼像。

本发明的有益效果是：

1、本发明使用了分光棱镜的特性，将一束准直扩束光束分为两路，并且透射准直光束的指向不变，通过双路旋转式轴向指向可调分光系统，可实现分光光路绕透射光轴夹角锥面旋转，通过鬼像测试，可得到待测光学系统的三维空间鬼像位置的分布，是光学系统尤其是高灵敏度探测类光学系统鬼像成因分析必不可少的实用性工具；另外，也可在光学镜头设计阶段对鬼像分布进行测量，及时对光学镜头进行调整，避免后期光学系统鬼像的出现；

2、本发明的双路旋转式轴向指向可调分光系统中的折轴镜反射光束指向方向与分光组件透射光束轴向方向之间建立了关系，这样可以在鬼像测量过程中对形成鬼像所对应的入射光线方向与光学系统光轴或视轴建立一一对应关系；

3、本发明的光学系统鬼像测量装置可以通过主控系统的调整，自动、快速的获取光学系统形成鬼像的入射光位置以及能量，测试过程稳定、可靠，并能极大的提高测试效率，非常适合在工程测试中应用。

4、本发明的一种光学系统鬼像测量装置，积分球光源由卤钨灯和氙灯光源组成，稳定性可达1％，出光口亮度具有非常大的动态范围，可保证鬼像测试对光源亮度的需要；光谱范围可达300nm～2500nm，可实现可见、近红外光学系统鬼像的测试；

5、本发明的一种光学系统鬼像测量装置，可调目标机构选用多目标自动替换旋转台，可快速对目标靶板进行替换，极大的节省了测试时间；

6、本发明的一种光学系统鬼像测量装置，姿态调整仪使用的是六自由度的调整台，在进行分光组件透射光轴与待测光学系统光轴或视轴对准过程中，可极大的提高对准效率。

附图说明

图1是本发明所提供的一种光学系统鬼像测量装置的结构示意图；

图2是本发明中双路旋转式轴向指向可调分光系统的结构示意图；

图3是入射光线与视轴夹角示意图。

图中附图标记为：1-光源；2-可调目标机构；3-扩束准直系统；4-双路旋转式轴向指向可调分光系统；5-第一姿态调整仪；6-主控系统；7-分光组件；8-旋转组件；9-轴向伸缩组件；10-折轴镜；11-指向调整组件；12-支撑组件；13-第二姿态调整仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明光学系统鬼像测量装置，包括主控系统6，还包括沿光路依次设置的积分球光源1、扩束准直系统3、双路旋转式轴向指向可调分光系统4和位于第二姿态调整仪13上的待测光学系统。积分球光源1和扩束准直系统3放置在台面上；在扩束准直系统3的外部设置有第一姿态调整仪5。为了便于待测系统的姿态调节，引入六自由度可调整姿态调整仪，方便光线的入射方向与待测光学系统之间快速建立联系，可极大提高测试效率。

本实施例主控系统6包括多种控制模块，具体控制光源1、姿态调整仪和双路旋转式轴向指向可调分光系统4中各部件的工作及完成数据记录和处理。

本实施例中的积分球光源1为氙灯和卤钨灯的混合光源，在氙灯与卤钨灯的出射光路上设有可变光阑，通过该可变光阑调节积分球光源的出光口亮度，积分球光源的动态范围可达120dB。由于鬼像在待测光学系统探测器的响应比较低，只有强光照射时，鬼像的相对响应才能提高，探测器才可以响应。所以，选用动态范围120dB的光源，能量比率可达10⁶量级，足以将鬼像的响应值提高到探测器可以相应的范围。积分球光源还配有实时监测积分球内部光功率的大动态范围亮度计，可实时监测积分球光源亮度。

在积分球光源1的出射端设置有可调目标机构2，可调目标机构2用来调整积分球光源1的出射光形成目标光束，本实施例的可调目标机构2包括多目标自动替换旋转台以及设置在其上的多种目标板；目标板均为星点板；星点板有多组；每组星点板的星孔直径不同。多目标自动替换旋转台可快速对目标靶板进行替换的，节省测试时间，通过驱动电路，带动靶轮转动，实现目标靶板的更换，在每一个目标靶板同轴方向有三个光电开关，用于编码检测，并将编码信息返回主控系统。主控系统中的光源控制模块根据实际待测光学系统的参数选择合适星孔直径的星点板。

本实施例的扩束准直系统3为离轴反射光学系统，现有的离轴反射光学系统有单镜和双镜两种系统。无论在单镜还是双镜系统中，主镜是系统的一次散射表面，杂散光主要来自主镜，产生一次散射的原因是反射镜表面粗糙度造成的，故杂散光测试系统中对主镜表面的粗糙度要求严苛，通常都在nm量级。相对于非球面，球面的加工工艺成熟，更易获得高质量的反射面，因此本实施例主镜采用球面镜，由于单个球面镜系统不能满足平行度优于10″和系统波像差优于2λrms的使用要求，故本实施例采用双镜系统。

如图2所示，本实施例双路旋转式轴向指向可调分光系统4包括旋转组件8、轴向伸缩组件9、分光组件7、指向调整组件11、折轴镜10和支撑组件12，分光组件7为分光棱镜，分光棱镜设置于轴向伸缩组件9的一端，其中心位于扩束准直系统3出射光束的光轴上；指向调整组件11设置于轴向伸缩组件9的另一端，折轴镜10设置于指向调整组件11上；折轴镜10的反射光轴与分光组件7的透射光轴可通过指向调整组件11的角度调整实现夹角角度的变化；轴向伸缩组件9的延伸距离可调，用来实现折轴镜10与分光组件7之间的距离调节，在指向调整组件11角度调整过程中通过距离调节保证折轴镜10的反射光束位于光学系统的入瞳位置；旋转组件8的一侧和轴向伸缩组件9固连，另一侧通过转轴和支撑组件12连接，旋转组件8带动分光组件7、轴向伸缩组件9、指向调整组件11和折轴镜10绕扩束准直系统3的出射光束的光轴旋转；在本实施例中分光组件7、折轴镜10的面形精度达到λ/50，其中λ＝632.8nm，这样分光后几乎不会引入像差。

具体测试过程如下：

主控系统6中的光源控制模块控制积分球点亮；根据待测光学系统的F数、入瞳直径D以及扩束准直系统3的焦距f，计算可使待测光学系统衍射的星孔直径d，主控系统控制可调目标机构2旋转至合适星孔；积分球照亮所选择的星孔目标，通过扩束准直系统3形成平行光束，模拟无限远点目标；平行光束通过双路旋转式轴向指向可调分光系统4中分光组件7的透射光路，待测光学系统对此光路目标进行成像；主控系统光源控制模块调整积分球输出亮度，使待测光学系统所成的图像达到80％量化位数；主控系统姿态调整仪模块控制第一姿态调整仪和第二姿态调整仪进行姿态调整，使待测光学系统对透射光路所成图像位于光电成像器件的中心位置；主控系统读取此时姿态调整仪的姿态信息，作为过程数据进行记录；由于双路旋转式轴向指向可调分光系统4中的分光组件7的透射光轴与折轴镜10的反射光轴之间具有对应的夹角关系，并存储于主控系统之中；主控系统中的指向调整组件控制模块调整指向调整组件的角度，对应调整分光组件7透射光轴与折轴镜10的反射光轴的夹角θ，并同时根据实际测试的需要，控制轴向伸缩组件9运动，使得折轴镜10的反射光束覆盖待测光学系统的入瞳；主控系统旋转组件控制模块控制旋转组件转动，同时记录此时的转动角度ω，待测光学系统采集图像；主控系统光源控制模块控制积分球输出亮度L增加，重复上述步骤建立采集图像中出现鬼像时对应的[L,θ,ω]矩阵关系，并存储于主控系统记录中，并最终输出给结果界面。

通过不断改变分光组件透射光轴与折轴镜的反射光轴的夹角θ，建立待测光学系统不同入射光线与视轴夹角θ对应的球面坐标系下不同亮度之间的测量关系(如图3所示)。同时，根据扩束准直系统出光口照度公式，如下所示，可计算光学系统正常成像时的入瞳处照度E_正常与出现鬼像时的入瞳处照度E_鬼像(扩束准直系统出光口照度乘以分光组件各路透过率即为到达光学系统入瞳处的照度公式)。这样经过整个测量装置的快速测量，可以建立光学系统正常成像时的入瞳照度与出现鬼像时的入瞳照度比例关系。

其中：d为星孔直径，单位为：mm；

f为扩束准直系统的焦距，单位为mm；

L_正常为测量光学系统正常成像时的积分球光源亮度，单位为W/m²·sr；

L_鬼像为测量光学系统出现鬼像时的积分球光源亮度，单位为W/m²·sr；

τ_透为分光组件透射光路透过率；

τ_分为分光组件分光光路透过率；

τ为扩束准直系统的透过率。

本发明的光学系统鬼像测量装置，可以通过对光学系统鬼像的测量，建立形成鬼像所对应的空间指向关系，并且通过测量还可建立形成鬼像与正常成像时的入瞳处照度的关系。通过上述两种信息的获取，可以通过理论计算、软件仿真找寻消除或降低鬼像形成的手段，对光学系统的结构进行相应的更改，以求研发出更优良的光学系统。

本发明的光学系统鬼像测量装置非常适合在探测类相机、星敏感器等光学系统中应用，通过光源的改变，还可应用于大功率激光光学系统测试中，值得被大力推广。

Claims (8)

1.一种基于光学系统鬼像测量装置的光学系统鬼像测量方法，测量装置包括沿光路依次设置的光源、扩束准直系统、双路旋转式轴向指向可调分光系统和待测光学系统；所述光源上设置有大动态范围亮度计，所述光源的出射端设置有可调目标机构；

所述双路旋转式轴向指向可调分光系统包括分光组件、旋转组件、轴向伸缩组件、折轴镜、指向调整组件和支撑组件；

所述分光组件设置于轴向伸缩组件的一端，分光组件的中心位于扩束准直系统出射光束的光轴上；

所述指向调整组件设置于轴向伸缩组件的另一端；

所述折轴镜安装于指向调整组件上；该折轴镜的反射光轴与分光组件的透射光轴之间的夹角角度通过指向调整组件调整；折轴镜与分光组件之间的距离通过轴向伸缩组件调整；

所述旋转组件一侧和轴向伸缩组件固连，旋转组件另一侧通过转轴和支撑组件连接；旋转组件的转轴和扩束准直系统的出射光束的光轴重合；旋转组件带动轴向伸缩组件、分光组件、折轴镜及指向调整组件旋转；

其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：点亮光源，待其稳定；

步骤二：根据待测光学系统的参数，利用公式(1)计算星孔直径，并从可调目标机构中选择星孔移入积分球光源的出光口处；

其中：d为星孔直径，单位为mm；

λ为工作中心波长，单位为mm；

f为扩束准直系统的焦距，单位为mm；

D为待测光学系统的入瞳直径，单位为mm；

步骤三：启动待测光学系统，对分光组件的透射光束成像；调整第一姿态调整仪和第二姿态调整仪的姿态，使得待测光学系统的光轴或视轴与扩束准直系统的光轴平行；

步骤四：调整光源亮度L；保持该亮度，调整指向调整组件，控制轴向伸缩组件，使折轴镜的出射光束位于待测光学系统的入瞳处；同时调整旋转组件转动；每调整一次指向调整组件和旋转组件，记录折轴镜的反射光轴指向与分光组件透射光轴指向之间的夹角θ和旋转组件转动角度ω；待测光学系统采集图像，查看所采集图像中有无鬼像，筛选具有鬼像时对应的L、θ和ω；

步骤五：改变光源亮度L，重复步骤四。

2.根据权利要求1所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：还包括

步骤六：通过公式(2)和公式(3)计算待测光学系统正常成像时的入瞳照度与出现鬼像时的入瞳照度；

其中：d为星孔直径，单位为mm；

f为扩束准直系统的焦距，单位为mm；

L_正常为测量光学系统正常成像时的光源亮度，单位为W/m²·sr；

L_鬼像为测量光学系统出现鬼像时的光源亮度，单位为W/m²·sr；

τ_透为分光组件透射光路透过率；

τ_分为分光组件分光光路透过率；

τ为扩束准直系统的透过率。

3.根据权利要求1所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：还包括主控系统，所述主控系统包括光源控制模块、可调目标机构控制模块、旋转组件控制模块、指向调整组件控制模块和轴向伸缩组件控制模块；

所述光源控制模块的输出端与光源连接；所述可调目标机构控制模块的输出端与可调目标机构连接；所述旋转组件控制模块的输出端与旋转组件连接；所述指向调整组件控制模块的输出端与指向调整组件连接；所述轴向伸缩组件控制模块的输出端与轴向伸缩组件连接。

4.根据权利要求1所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：还包括第一姿态调整仪和第二姿态调整仪，所述第一姿态调整仪位于扩束准直系统出射光束的光轴外，所述第二姿态调整仪承载待测光学系统；

所述主控系统还包括第一姿态调整仪和第二姿态调整仪控制模块，所述第一姿态调整仪和第二姿态调整仪控制模块的输出端和第一姿态调整仪和第二姿态调整仪连接。

5.根据权利要求1所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：所述可调目标机构包括多目标自动替换旋转台以及设置在多目标自动替换旋转台上的多种目标板；所述多种目标板均为星点板；所述星点板的星孔直径不同。

6.根据权利要求1至5任一所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：所述光源为积分球光源，所述积分球光源为氙灯和卤钨灯混合光源，氙灯与卤钨灯的出射光路上设有可变光阑。

7.根据权利要求1至5任一所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：所述扩束准直系统为离轴反射光学系统，所述离轴反射光学系统采用双镜形式，其中主镜为球面镜。

8.根据权利要求1至5任一所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：所述分光组件为分光棱镜，所述分光棱镜和所述折轴镜的面形精度达到λ/50，其中λ＝632.8nm。