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专利号: 202110948715X
申请人: 中国科学院深圳先进技术研究院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-11-13
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种光学成像镜头的像差检测系统,其特征在于,包括检测模块和分析模块,所述检测模块包括光源装置、成像靶标、准直镜头、待测成像镜头、探测相机和至少三种不同的平行平板;

所述检测模块中的各部分按照所述光源装置、所述成像靶标、所述准直镜头、所述待测成像镜头、所述平行平板和所述探测相机的顺序依次设置,且各部分的中心对准公共光轴;

所述光源装置用于提供单色或准单色均匀照明平行出射光束;

所述成像靶标位于所述准直镜头的前焦面处,所述出射光束以透射的方式照亮所述成像靶标;

所述准直镜头用于对透过所述成像靶标的光束进行准直;

所述待测成像镜头位于所述准直镜头后侧,用于对所述成像靶标进行成像;

所述平行平板位于所述待测成像镜头后侧,用于调整所述待测成像镜头成像像面的轴向位置,获取不同的离焦量;

所述探测相机位于所述平行平板后侧,用于获取不同所述离焦量下的采集图像;

所述分析模块用于根据所述采集图像求解所述待测成像镜头的波像差,对波像差分解得到各单项像差,并计算点扩散函数和调制传递函数。

2.根据权利要求1所述的像差检测系统,其特征在于,所述检测模块还包括镜头夹紧调整装置;

所述镜头夹紧调整装置用于对所述待测成像镜头进行夹紧、调整位置以及固定,使所述待测成像镜头与所述公共光轴同轴。

3.根据权利要求1所述的像差检测系统,其特征在于,所述光源装置包括点光源、第一准直透镜、窄带滤光片、会聚透镜、针孔和第二准直透镜,所述光源装置中的各部分按照所述点光源、所述第一准直透镜、所述窄带滤光片、所述会聚透镜、所述针孔和所述第二准直透镜的顺序依次设置,且各部分的中心对准公共光轴;

所述点光源位于所述第一准直透镜的前焦点处,用于提供发散光束;

所述第一准直透镜用于将所述发散光束准直为第一平行光;

所述窄带滤光片用于滤除所述第一平行光中的预设波长成分,获取准单色光;

所述会聚透镜用于对所述准单色光进行会聚,得到会聚光束;

所述针孔位于所述会聚透镜的后焦点处,用于对所述会聚光束进行空间滤波;

所述针孔位于所述第二准直透镜的前焦点处,透过所述针孔的光束以准球面波传播,透过所述第二准直透镜后得到所述单色或准单色均匀照明平行出射光束。

4.根据权利要求1所述的像差检测系统,其特征在于,所述成像靶标上设置有靶标图案;

所述靶标图案包括轴上物点和位于水平、垂直方向上的轴外物点;

在所述靶标图案中,位于水平、垂直方向上任意两个相邻物点的间距满足如下条件:4

d≥10×λmaxf

其中,d为物点间距,λmax为最大成像波长,f为所述准直镜头的焦距。

5.根据权利要求4所述的像差检测系统,其特征在于,所述轴上物点为所述靶标图案的靶标中心设置的1个圆孔;

所述轴外物点为所述轴上物点的左右上下各设置的3个圆孔;

在水平、垂直方向上的任意相邻两个所述圆孔之间的间距相等,间距满足如下条件:Δd=0.0175×f

其中,Δd为相邻两个所述圆孔之间的间距,f为所述准直镜头的焦距。

6.根据权利要求1所述的像差检测系统,其特征在于,所述准直镜头的波阵面对以衍射焦点为中心的参考球的方均根偏差不超过λ/50,λ为成像波长。

7.根据权利要求1所述的像差检测系统,其特征在于,所述平行平板的前后表面互相平行,且与所述公共光轴垂直;

所述平行平板的中心对准所述公共光轴;

所述平行平板折射率均匀且透光。

8.根据权利要求7所述的像差检测系统,其特征在于,所述检测模块设置有第一平行平板、第二平行平板和第三平行平板,所述第一平行平板、所述第二平行平板和所述第三平行平板在厚度和折射率上存在差异;

所述第一平行平板用于清晰成像;

所述第二平行平板用于前离焦成像;

所述第三平行平板用于后离焦成像。

9.根据权利要求8所述的像差检测系统,其特征在于,所述第一平行平板的厚度为d1,折射率为n1;所述第二平行平板的厚度为d2,折射率为φ2;所述第三平行平板的厚度为d3,折射率为φ3;

所述第一平行平板、所述第二平行平板和所述第三平行平板满足如下条件:其中,λ为成像波长,F为所述待测成像镜头的焦距,D为所述待测成像镜头的出瞳直径。

10.根据权利要求7所述的像差检测系统,其特征在于,所述检测模块上还设置有转盘,所述转盘上沿圆周均匀设置有开孔,多个所述平行平板通过所述开孔固定连接在所述转盘上;

通过旋转所述转盘,实现所述平行平板的自由切换。

11.根据权利要求1所述的像差检测系统,其特征在于,所述分析装置具体包括:根据所述采集图像,利用光学成像数学模型及最优化估计算法求解待测成像镜头的波像差,对波像差分解得到各单项像差,并计算点扩散函数及调制传递函数;

所述波像差包括轴上像差、轴外像差。

12.根据权利要求1所述的像差检测系统,其特征在于,所述检测模块通过调整所述出射光束的波长,对所述待测成像镜头在不同成像波长的单色像差进行检测。

13.根据权利要求1所述的像差检测系统,其特征在于,所述探测相机在所述检测模块上的位置固定;

和/或,所述探测相机为高像素分辨率面阵黑白相机。

14.一种光学成像镜头的像差检测方法,适用于权利要求1‑13任一项所述的像差检测系统,其特征在于,包括如下:通过光源装置发射出单色或准单色均匀照明平行出射光束;

所述出射光束以透射的方式照亮成像靶标;

通过准直镜头对透过所述成像靶标的光束进行准直;

通过待测成像镜头对所述成像靶标进行成像;

通过更换多个不同的平行平板调整所述待测成像镜头成像像面的轴向位置,获取不同的离焦量;

通过探测相机获取不同所述离焦量下的采集图像;

通过分析模块根据所述采集图像求解所述待测成像镜头的波像差,对波像差分解得到各单项像差,并计算点扩散函数和调制传递函数。

15.根据权利要求14所述的像差检测方法,其特征在于,所述像差检测系统还包括镜头夹紧调整装置;

通过光源装置发射出单色或准单色均匀照明平行出射光束之前,还包括:将所述待测成像镜头安装在所述镜头夹紧调整装置上;

通过所述镜头夹紧调整装置在径向方向调整所述待测成像镜头位置,使镜头中心与公共光轴对齐;

通过所述镜头夹紧调整装置在轴向位置调整所述待测成像镜头位置,使靶标图像清晰;

锁紧固定所述待测成像镜头。

16.根据权利要求14所述的像差检测方法,其特征在于,所述像差检测系统包括第一平行平板、第二平行平板和第三平行平板,所述第一平行平板、所述第二平行平板和所述第三平行平板在厚度和折射率上存在差异;

设置所述第一平行平板进行清晰成像,通过所述探测相机获取N1幅焦面图像;

设置所述第二平行平板进行前离焦成像,通过所述探测相机获取N2幅前离焦图像;

设置所述第三平行平板进行后离焦成像,通过所述探测相机获取N3幅后离焦图像。

17.根据权利要求16所述的像差检测方法,其特征在于,所述第一平行平板的厚度为d1,折射率为n1;所述第二平行平板的厚度为d2,折射率为n2;所述第三平行平板的厚度为d3,折射率为n3;

所述第一平行平板、所述第二平行平板和所述第三平行平板满足如下条件:其中,λ为成像波长,F为所述待测成像镜头的焦距,D为所述待测成像镜头的出瞳直径。

18.根据权利要求17所述的像差检测方法,其特征在于,对N1幅所述焦面图像求平均,得到第一图像I1;

对所述第一图像I1进行归一化得到归一化焦面图像i1,所述归一化焦面图像i1满足:对N2幅所述前离焦图像求平均,得到第二图像I2;

对所述第二图像I2进行归一化得到归一化前离焦图像i2,所述归一化前离焦图像i2满足:对N3幅所述后离焦图像求平均,得到第三图像I3;

对所述第三图像I3进行归一化得到归一化后离焦图像i3,所述归一化后离焦图像i3满足:其中,(m,n)为图像像素位置。

19.根据权利要求18所述的像差检测方法,其特征在于,所述成像靶标的靶标中心设置有轴上物点,所述轴上物点周围设置有多个轴外物点;

针对所述轴上物点:

从所述归一化焦面图像i1中的第一预设位置截取P×P像素的第一轴上子图像i1s,使所述轴上物点所成像位于所述第一轴上子图像i1s中心,且所述第一轴上子图像i1s上不包含其它物点所成像;

从所述归一化前离焦图像i2中的所述第一预设位置截取P×P像素的第二轴上子图像i2s;

从所述归一化后离焦图像i3中的所述第一预设位置截取P×P像素的第三轴上子图像i3s;

根据光学成像数学模型,构建所述待测成像镜头轴上波像差估计的数学模型:‑1

φ1=min [E(i1s,i2s,i3s,d1,n1,d2,n2,d3,n3,F,D,λ)]其中,φ1为轴上波像差,E为目标函数,λ为成像波长,F为所述待测成像镜头的焦距,D为所述待测成像镜头的出瞳直径,d1为所述第一平行平板的厚度,n1为所述第一平行平板的折射率;d2为所述第二平行平板的厚度,n2为所述第二平行平板的折射率;d3为所述第三平行平板的厚度,n3为所述第三平行平板的折射率;

利用最优化估计方法求解所述轴上波像差φ1,并对所述轴上波像差φ1进行分解得到各单项波像差;

根据所述轴上波像差计算轴上点扩散函数和调制传递函数。

20.根据权利要求19所述的像差检测方法,其特征在于,针对每个所述轴外物点:从所述归一化焦面图像i1中的第二预设位置截取P×P像素的第一轴外子图像i1z,使所述轴外物点所成像位于所述第一轴外子图像i1z的中心,且所述第一轴外子图像i1z上不包含其它物点所成像;

从所述归一化前离焦图像i2中的所述第二预设位置截取P×P像素的第二轴外子图像i2z;

从所述归一化后离焦图像i3中的所述第二预设位置截取P×P像素的第三轴外子图像i3z;

根据光学成像数学模型,构建所述待测成像镜头轴外波像差估计的数学模型:‑1

φ2=min [E(i1z,i2z,i3z,d1,n1,d2,n2,d3,n3,F,D,λ)]其中,φ2为轴外波像差,E为目标函数,λ为成像波长,F为所述待测成像镜头的焦距,D为所述待测成像镜头的出瞳直径,d1为所述第一平行平板的厚度,n1为所述第一平行平板的折射率;d2为所述第二平行平板的厚度,n2为所述第二平行平板的折射率;d3为所述第三平行平板的厚度,n3为所述第三平行平板的折射率;

利用最优化估计方法求解所述轴外波像差φ2,并对所述轴外波像差φ2进行分解得到各单项波像差;

根据所述轴外波像差计算轴外点扩散函数和调制传递函数。

21.根据权利要求14所述的像差检测方法,其特征在于,还包括:通过调整所述出射光束的波长,对所述待测成像镜头在不同成像波长的单色像差进行检测。