无限兼有限共轭寻焦光电像分析器及其方法

摘要

本发明属于光电测试技术领域，涉及一种集光、机、电、算及自动控制为一体的无限兼有限共轭寻焦光电像分析器及其实现方法，是光电测试装备的基本构成单元之一。本发明是通过透射光路的高精度共焦定焦实现反射光路目标图像的清晰采集与定焦，通过光电像分析器测量物镜的加入实现有限共轭光学系统参数的测试，通过光电像分析器的平移及旋转实现光学系统轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的测量，最终实现无限兼有限共轭目标光学成像系统轴上和轴外视场光学参数的高精度综合测试。本无限兼有限共轭寻焦光电像分析器通过相应测量方法和软件控制，可对光学系统所成的图像进行高精度快速自动采集、分析与处理，进而获得无限兼有限共轭光电仪器的性能参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无限兼有限共轭寻焦光电像分析器，属于光电测试技术领域。

技术背景

光电像分析器是光电测试装备的基本组成单元，其性能直接决定光电测试装备的集成化程度和高可靠性能等。光电像分析器是集光、机、电、算及自动控制为一体的综合光电测试装置，其用于对被测光学系统所成的目标图像进行采集和处理，以期获得被测光学系统的各种性能参数的模块组件。

在复杂光电成像系统中，存在众多无限共轭光学成像系统和有限共轭光学成像系统，而实现这些复杂光学参数综合测量的关键在于如何突破能兼顾有限远目标和无限远目标像面清晰定焦采集的技术瓶颈，如何实现光电像分析器无限兼有限目标的准确定焦。

特别是复杂光电装备的外场测试和靠前保障测试，要求光电测试装备必须具备高可靠性、高集成化和高稳定性，因而亟待攻克构成光电测试系统的光电像分析技术这一共性技术与器件，以期满足光电测试装备的高可靠性、高集成度的迫切需求。

目前，与光电像分析器相近的产品有美国Optikos公司的Video MTF Image Analysis System的光电像分析器测头，用于测量光学成像系统的光学传递函数、焦距等光学参数。其不足之处为：

1)不能对无限共轭光学系统进行调焦测试，不能实现多视度测试；

2)不能测试折轴光学系统；

3)可测光学参数种类少。

为了弥补上述不足，北京理工大学申报了中国专利“无限兼有限共轭光电像分析器”(ZL200410090673.7)，其通过组合多个平移台及旋转台，使像分析器通过多维调整能够实现对光学系统轴上和轴外视场的光学参数测量；通过更换像分析器光学系统物方不同视度的准直物镜，实现对不同视度望远光学系统的测试；通过接口加显微物镜，实现对有限共轭光学系统的测试等。该发明专利不但实现了多维调整以及折轴测试，而且实现 了对无限与有限共轭光学系统多参数测试，例如：放大率、视场、像倾斜和分划倾斜、出瞳直径、出瞳距离、视度、可见光分辨率、畸变、双目仪器光轴一致性等。

但无限兼有限共轭光电像分析器在像面的定焦方面由于仍采用常规的图像定焦方法，因而在图像定焦精度、定焦速度等方面存在诸多不足，像面的定焦精度限制了无限兼有限共轭光电成像仪器检测精度的进一步提高，像面的定焦速度限制了光电成像仪器性能参数测试的自动化能力及效率。

针对此问题，本发明提出将光电像分析器像方光路分为两路，反射光路用于图像采集，透射光路用于高精度共焦寻焦，通过透射光路的高精度共焦寻焦进而实现反射光路图像的清晰采集，其优点在于可以大幅提高像面的定焦精度和速度，还可以对有限共轭光学系统内部几何结构进行层析定焦，进而扩展光电成像系统参数的检测范围等。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述已有技术存在的问题，提出了一种无限兼有限共轭寻焦光电像分析器及其方法。

本发明通过透射光路的高精度共焦寻焦实现反射光路目标图像的清晰采集与定焦，实现光学成像系统参数的高精度测试；通过光电像分析器测量物镜的选配加入与轴向寻焦清晰图像采集器的位移，可实现有限共轭光学系统参数的测试；通过光电像分析器的平移及旋转，实现光学系统轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量等。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的无限兼有限共轭寻焦光电像分析器，包括：零视度准直镜、准直镜支撑机构、五自由度x-y-z-α-θ调整工作台、像分析器支撑机构、x向寻焦移动导轨、x向寻焦导轨位移监测系统、寻焦清晰图像采集器、测量物镜和计算机测控系统；其中寻焦清晰图像采集器包括分光镜、面阵探测CCD、针孔和光电探测器；像分析器支撑机构位于五自由度x-y-z-α-θ调整工作台上，而零视度准直镜、准直镜支撑机构、x向寻焦移动导轨、x向寻焦导轨位移监测系统、寻焦清晰图像采集器位于像分析器支撑机构上，并随像分析器支撑机构一起通过五自由度x-y-z-α-θ调整工作台调节无限远共轭目标光学系统和有限远共轭目标光学系统测试时的相对位置。

面阵探测CCD的探测面位于像方汇聚光束被分光镜反射的反射像方汇聚光束的焦面位置。

针孔位于像方汇聚光束经分光镜透射的透射像方汇聚光束的焦点位置，光电探测器位于针孔之后。

本发明的无限兼有限共轭寻焦光电像分析器，还可以包括准直镜支撑机构前端配做连接结口，使零视度准直镜与测量物镜组合使用，以满足有限远共轭目标光学系统参数的测试。

本发明的无限兼有限共轭寻焦光电像分析方法，包括如下内容：

1)利用分光镜将像方汇聚光束分成透射像方汇聚光束和反射像方汇聚光束两路，通过对分光镜透射的透射像方汇聚光束进行高精度共焦定焦达到对分光镜反射的反射像方汇聚光束的精确定焦，实现无限远共轭目标光学系统像方汇聚光束焦面图像的清晰采集与位置测定，最终实现无限远共轭目标光学系统参数的高精度测试；

2)在零视度准直镜中通过测量物镜的加配，再利用寻焦清晰图像采集器对像方汇聚光束焦点变化位置的测定，来实现有限远共轭目标光学系统参数的测试；

3)通过五自由度x-y-z-α-θ调整工作台的平移及旋转，实现无限远共轭目标光学系统和有限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量。

本发明的无限兼有限共轭寻焦光电像分析方法，实现无限远共轭目标光学系统参数的高精度测试，包括以下步骤：

步骤一：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台，使无限远共轭目标光学系统发出的无限远共轭目标物方光束，进入零视度准直镜；

步骤二：利用寻焦清晰图像采集器对经零视度准直镜汇聚的像方汇聚光束的焦面图像进行清晰采集；

步骤三：利用分光镜将像方汇聚光束分成透射像方汇聚光束和反射像方汇聚光束，计算机测控系统控制x向寻焦移动导轨沿x向进行扫描往复运动；

步骤四：计算机测控系统通过光电探测器及x向寻焦导轨位移监测系统同时检测x向寻焦移动导轨沿x向进行扫描往复运动时的共焦轴向强度响应曲线和x向寻焦移动导轨的位置；

步骤五：计算机测控系统对同时检测的共焦轴向强度响应曲线和x向寻焦移动导轨的位置进行处理，求得共焦轴向强度响应曲线最大值对应的x向寻焦移动导轨的位置N；

步骤六：计算机测控系统控制x向寻焦移动导轨运动到位置N，此时面阵探测CCD就可采到无限远共轭目标光学系统的清晰像。

步骤七：计算机测控系统利用采到无限远共轭目标光学系统的清晰像及其位置N，即可计算无限远共轭目标光学系统的参数。

所述的无限兼有限共轭寻焦光电像分析方法，实现有限远共轭目标光学系统光学参数的测试的特征包括以下步骤：

步骤一：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台，使有限远共轭目标光学系统发出的有限远共轭目标物方光束经测量物镜进入零视度准直镜；

步骤二：利用寻焦清晰图像采集器对经零视度准直镜汇聚的像方汇聚光束的焦面图像进行清晰采集；

步骤三：利用分光镜将像方汇聚光束分成透射像方汇聚光束和反射像方汇聚光束，计算机测控系统控制x向寻焦移动导轨沿x向进行扫描往复运动；

步骤四：计算机测控系统通过光电探测器及x向寻焦导轨位移监测系统同时检测x向寻焦移动导轨沿x向进行扫描往复运动时的共焦轴向强度响应曲线和x向寻焦移动导轨的位置；

步骤五：计算机测控系统对同时检测的共焦轴向强度响应曲线和x向寻焦移动导轨的位置进行处理，求得共焦轴向强度响应曲线最大值对应的x向寻焦移动导轨的位置N；

步骤六：计算机测控系统控制x向寻焦移动导轨运动到位置N，此时面阵探测CCD就可采到有限远共轭目标光学系统的清晰像。

步骤七：计算机测控系统利用采到有限远共轭目标光学系统的清晰像及焦面位置变化量Δx，即可计算无限远共轭目标光学系统的参数。

所述的无限兼有限共轭寻焦光电像分析方法，实现无限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量，包括以下步骤：

步骤一：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台，使无限远共轭目标光学系统发出的无限远共轭目标光学系统方光束，进入零视度准直镜；

步骤二：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台，使零视度准直镜分别 瞄准无限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统；

步骤三：分别利用寻焦清晰图像采集器对经零视度准直镜分别瞄准无限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统的汇聚的像方汇聚光束的焦面图像进行清晰采集，实现无限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量。

所述的无限兼有限共轭寻焦光电像分析方法，实现有限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量，包括以下步骤：

步骤一：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台，使有限远共轭目标光学系统发出的有限远共轭目标光学系统方光束经测量物镜进入零视度准直镜；

步骤二：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台，使零视度准直镜分别瞄准有限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统；

步骤三：分别利用寻焦清晰图像采集器对经零视度准直镜分别瞄准有限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统的汇聚的像方汇聚光束的焦面图像进行清晰采集，实现有限远共轭目标光学系统轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量。

有益效果：

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1)本发明提出将光电像分析器像方光路分为两路，反射光路用于图像采集，透射光路用于高精度共焦定焦，通过透射光路的高精度共焦定焦进而实现反射光路图像的清晰采集，这是区别于已有技术的创新点之一。

2)本发明通过基于共焦高精度、高速定焦技术的寻焦清晰图像采集器对像方汇聚光束焦点进行共焦探测寻焦，大幅提升了大范围焦点变化位置的精确测定能力，便于0视度和非0视度望远光学系统参数的高精度综合测试，这是区别于已有技术的创新点之二。

3)本发明通过在零视度准直镜前增配测量物镜，通过寻焦清晰图像采集器对像方汇聚光束焦点进行共焦探测寻焦等，来实现对照相系统等有限远共轭光电系统参数的高精度综合测试，这是区别于已有技术的创新点之三。

本发明特点：

1)共焦探测寻焦技术的采用，除了大幅提高像面的定焦精度和速度 外，还可以对有限共轭光学系统内部几何结构进行层析定焦，进而扩展光电成像系统参数的检测范围等；

2)不必更换像分析器光学系统物方零视度准直物镜，可直接对不同视度望远光学系统参数进行测试；

3)将零视度准直镜与测量物镜配合，通过五自由度x-y-z-α-θ调整工作台和x向寻焦移动导轨的调整，可使无限兼有限共轭寻焦光电像分析器具备光电调焦、光电对准测角、光电测光度、光电测调制度、光电测点扩展函数和数字图像处理等功能，大幅提升光电测试装备的集成化能力、综合参数测试能力和测量精度等；

4)由于自动光电共焦寻焦技术的采用，本发明具有综合测量能力和自动化测量能力强的优点，不仅能实现多维调整以及折轴测试，而且能够对无限与有限共轭光学系统的放大率、视场、像倾斜和分划倾斜、出瞳直径、出瞳距离、视度、可见光分辨率、畸变、双目仪器光轴一致性等参数进行综合测量。

附图说明

图1为本发明无限兼有限共轭寻焦光电像分析器及其方法示意图；

图2为本发明无限兼有限共轭寻焦光电像分析器实施例图；

图3为本发明无限共轭寻焦光电像分析方法实施例图；

图4为本发明有限共轭寻焦光电像分析器方法实施例图；

其中，1-零视度准直镜、2-像方汇聚光束、3-五自由度x-y-z-α-θ调整工作台、4-像分析器支撑机构、5-x向寻焦移动导轨、6-x向寻焦导轨位移监测系统、7-寻焦清晰图像采集器、8-分光镜、9-面阵探测CCD、10-针孔、11-光电探测器、12-无限远共轭目标光学系统、13-准直镜支撑机构、14-测量物镜、15-有限远共轭目标光学系统、16-反射像方汇聚光束、17-透射像方汇聚光束、18-无限远共轭目标物方光束、19-焦点艾里斑、20-共焦轴向强度响应曲线、21-有限远共轭目标物方光束，22-计算机测控系统、23-照明光源系统、24-照明光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是：通过透射光路的高精度共焦定焦实现反射光路目标图像的清晰采集与定焦，通过光电像分析器测量物镜的加入实现有限共轭光学系统参数的测试，通过光电像分析器的平移及旋转实现光学系统轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的测量，最终实现无限兼有限共轭目标光学成像系统轴上和轴外视场光学参数的高精度综合测试。

实施例1

本实施例参照图2说明如下：

如图2所示，无限兼有限共轭寻焦光电像分析器，包括：照明光源系统23、无限远共轭目标光学系统12、有限远共轭目标光学系统15、测量物镜14、零视度准直镜1、准直镜支撑机构13、五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3、像分析器支撑机构4、x向寻焦移动导轨5、x向寻焦导轨位移监测系统6、寻焦清晰图像采集器7、计算机测控系统22，以及集成在寻焦清晰图像采集器7上的分光镜8、面阵探测CCD 9、针孔10和光电探测器11。

其中像分析器支撑机构4位于五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3上，而零视度准直镜1、准直镜支撑机构13、x向寻焦移动导轨5、x向寻焦导轨位移监测系统6、寻焦清晰图像采集器7位于像分析器支撑机构4，并随像分析器支撑机构4一起通过五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3调节无限远共轭目标光学系统12和有限远共轭目标光学系统15测试时的相对位置。

计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5使寻焦清晰图像采集器7沿x向对像方汇聚光束2的汇聚点进行寻焦扫描测量，同时通过x向寻焦导轨位移监测系统6、光电探测器11采集到的位置信号得到共焦轴向强度响应曲线20，计算机测控系统22对共焦轴向强度响应曲线20进行处理，确定共焦轴向强度响应曲线20最大值对应的位置点N，然后计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5使寻焦清晰图像采集器7移动到位置N，此时面阵探测CCD 9即可采集到清晰的图像，同时得到与理想平行光入射零视度准直镜1后像方汇聚光束2焦点位置的变化量Δx，亦可测得无限远共轭目标光学系统12的视度参数等。

实施例2

无限远共轭目标光学系统光学仪器测量方法参照图3说明如下：用照明光源系统23照射无限远共轭目标光学系统12形成目标物，调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3使无限远共轭目标物方光束18进入零视度准直镜1，并被汇聚成像方汇聚光束2，利用分光镜8将像方汇聚光束2分为反射像方汇聚光束16和透射像方汇聚光束17两部分，计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5使寻焦清晰图像采集器7沿x向对像方汇聚光束2的汇聚点进行寻焦扫描测量，面阵探测CCD 9用来探测反射像方汇聚光束16的像，孔径为20微米的针孔10用来滤除透射像方汇聚光束17的旁瓣并使透过的光束被光电探测器11探测。计算机测控系统22对光电探测器11探测到的共焦轴向强度响应曲线20进行处理，再确定共焦轴向强度响应曲线20最大值对应的位置点N，然后计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5使寻焦清晰图像采集器7移动到位置N，此时面阵探测CCD 9即可采集到清晰的图像，同时得到与理想平行光入射零视度准直镜1后像方汇聚光束2焦点位置的变化量Δx，亦可测得无限远共轭目标光学系统12的视度参数等。

具体的测量步骤如下：

步骤一：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3，使无限远共轭目标光学系统12发出的无限远共轭目标物方光束18，进入零视度准直镜1；

步骤二：利用寻焦清晰图像采集器7对经零视度准直镜1汇聚的像方汇聚光束2的焦面图像进行清晰采集；

步骤三：利用分光镜8将像方汇聚光束2透射像方汇聚光束17和反射像方汇聚光束16，计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5沿x向进行扫描往复运动；

步骤四：计算机测控系统22通过光电探测器11及x向寻焦导轨位移监测系统6同时检测x向寻焦移动导轨5沿x向进行扫描往复运动时的共焦轴向强度响应曲线20和x向寻焦移动导轨5的位置；

步骤五：计算机测控系统22对同时检测的共焦轴向强度响应曲线20和x向寻焦移动导轨的位置进行处理，求得共焦轴向强度响应曲线20最大值对应的x向寻焦移动导轨5的位置N；

步骤六：计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5运动到位置N，此时面阵探测CCD 9就可采集到无限远共轭目标光学系统12的清晰像。

步骤七：计算机测控系统22利用采集到的无限远共轭目标光学系统12的清晰像及其位置N，即可计算无限远共轭目标光学系统12的参数。

实施例3

有限远共轭目标光学系统光学仪器测量方法参照图4说明如下：将测量物镜14装配在准直镜支撑机构13上、用照明光源系统23照射有限远共轭目标光学系统15形成目标物，调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3使有限远共轭目标物方光束21进入测量物镜14和零视度准直镜1，并经零视度准直镜1汇聚成像方汇聚光束2，利用分光镜8将像方汇聚光束2分为反射像方汇聚光束16和透射像方汇聚光束17两部分，计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5使寻焦清晰图像采集器7沿x向对像方汇聚光束2的汇聚点进行寻焦扫描测量，面阵探测CCD 9用来探测反射像方汇聚光束16的像，孔径为20微米的针孔10用来滤除透射像方汇聚光束的旁瓣并使透过的光束并光电探测器11探测。计算机测控系统22对光电探测器11探测到的共焦轴向强度响应曲线20进行处理，再确定共焦轴向强度响应曲线20最大值对应的位置点N，然后计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5使寻焦清晰图像采集器7移动到位置N，此时面阵探测CCD 9即可采集到清晰的图像参数等。

具体的测量步骤如下：

步骤一：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3，使有限远共轭目标光学系统15发出的有限远共轭目标物方光束21经测量物镜14进入零视度准直镜1；

步骤二：利用寻焦清晰图像采集器7对经零视度准直镜1汇聚的像方汇聚光束2的焦面图像进行清晰采集；

步骤三：利用分光镜8将像方汇聚光束2透射像方汇聚光束17和反射像方汇聚光束16，计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5沿x向进行扫描往复运动；

步骤四：计算机测控系统22通过光电探测器11及x向寻焦导轨位移监测系统6同时检测x向寻焦移动导轨5沿x向进行扫描往复运动时的共焦轴向强度响应曲线20和x向寻焦移动导轨5的位置；

步骤五：计算机测控系统22对同时检测的共焦轴向强度响应曲线20和x向寻焦移动导轨的位置进行处理，求得共焦轴向强度响应曲线20最 大值对应的x向寻焦移动导轨5的位置N；

步骤六：计算机测控系统22控制x向寻焦移动导轨5运动到位置N，此时面阵探测CCD 9就可采到有限远共轭目标光学系统15的清晰像。

步骤七：计算机测控系统22利用采到有限远共轭目标光学系统15的清晰像及焦面位置变化量Δx，即可计算无限远共轭目标光学系统12的参数。

实施例4

实现无限远共轭目标光学系统12轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量方法的步骤参照图3说明如下：

步骤一：用照明光源系统23照射无限远共轭目标光学系统12形成目标物；

步骤二：调节五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3，使无限远共轭目标光学系统12发出的无限远共轭目标物方光束18，进入零视度准直镜1；

步骤三：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3，使零视度准直镜1分别瞄准无限远共轭目标光学系统12轴上、轴外视场和折轴系统；

步骤四：分别利用寻焦清晰图像采集器7对经零视度准直镜1分别瞄准无限远共轭目标光学系统12轴上、轴外视场和折轴系统的汇聚的像方汇聚光束2的焦面图像进行清晰采集，实现无限远共轭目标光学系统12轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量。

实施例5

实现有限远共轭目标光学系统15轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量方法的步骤参照图4说明如下：

步骤一：将测量物镜14装配在准直镜支撑机构13上、用照明光源系统23照射有限远共轭目标光学系统15形成目标物；

步骤二：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3使有限远共轭目标物方光束21进入测量物镜14和零视度准直镜1，并经零视度准直镜1汇聚成像方汇聚光束2；

步骤三：调整五自由度x-y-z-α-θ调整工作台3，使零视度准直镜1分别瞄准有限远共轭目标光学系统15轴上、轴外视场和折轴系统；

步骤四：分别利用寻焦清晰图像采集器7对经零视度准直镜1分别瞄 准有限远共轭目标光学系统15轴上、轴外视场和折轴系统的汇聚的像方汇聚光束2的焦面图像进行清晰采集，实现有限远共轭目标光学系统15轴上、轴外视场和折轴系统光学参数的综合测量。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。