[發明專利]一種離軸成像系統點擴散函數的測量方法和建模方法

有效

• 申請號: 202010424675.4
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN113686546B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 張祥朝;牛振岐;朱睿
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02;G06F30/20
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 陸惠中;王永偉

本發明涉及光學工程領域，具體涉及一種離軸成像系統點擴散函數的測量方法與建模方法。本測量方法采用屏幕作為標準物顯示圓斑特征，根據相機所獲取斑點光強的梯度判斷中心區域的輪廓線，將輪廓線之外的光強梯度向中心收縮得到點擴散函數彌散斑，本建模采用斜正態分布函數進行擬合，然后將函數表達式的每個參數擬合為斑點中心像素坐標的連續函數，由此實現離軸成像系統非對稱點擴散函數的解析建模。本發明的測量方法和建模方法可以較好地克服傳統雙高斯函數無法準確描述離軸成像的局限性，提高對復雜的非對稱點擴散函數的建模可靠性。

技術領域

本發明涉及光學工程領域，具體涉及一種離軸成像系統點擴散函數的測量方法與建模方法。

背景技術

在偏折術、哈特曼檢驗等光學檢測方法中，對于屏幕圖樣、圓孔陣列等標志物不能在相機圖樣中準確對焦，復雜離軸系統的空變點擴散函數是影響測量精度與可靠性的重要因素。傳統的幾何光學理論一般認為點擴散函數是光學傳遞函數的傅里葉變換，通過刃口成像測量線擴散函數，將其旋轉成為點擴散函數。但是該方法假設點擴散函數是在整個視場內固定不變的，而且旋轉對稱，該約束條件對復雜離軸成像系統是不成立的。研究者還提出了星點法，采用圓點陣列成像，可以得到實際點擴散函數隨視場位置的變化規律。但是該方法需要加工專門的圓孔樣板，標準物點的尺寸不能改變，因此難以校正由于離軸成像、環境干擾等因素造成的探測誤差。

為了獲得點任意視場位置的點擴散函數，需要為其建立連續的函數模型。近軸成像理論一般采用Seidel多項式，將初級像差分為球差、彗差、像散等不同的項，根據各項的系數確定點擴散函數與光瞳、視場之間的定量關系。但是該關系對于復雜的離軸光學系統以及非球面成像系統難以使用，后來研究人員采用函數進行建模描述。計算點擴散函數的胡氏積分矩，用雙高斯函數建模。但是離軸成像系統具有嚴重的彗差、像散等成分，導致點擴散函數不具有鏡像或旋轉對稱性，用雙高斯函數無法描述。因此對于包含自由曲面等復雜光學元件，或者嚴重離軸的光學系統，需要建立描述能力更強的點擴散函數模型。

發明內容

針對以上不足，本發明提供了一種離軸成像系統點擴散函數的測量方法與建模方法，該方法可以克服傳統雙高斯函數無法準確描述離軸成像的局限性，提高對復雜的非對稱點擴散函數的建模可靠性。

本發明的技術方案為：

一種離軸成像系統點擴散函數的測量方法，采用投影屏幕作為標準物，顯示圓斑陣列，實現各個視場位置點擴散函數的可靠測量，具體包括以下步驟：

S1：采用屏幕顯示二值化圓斑陣列，經過離軸成像系統后由相機采集圖樣，利用下式計算斑點圖樣各像素處梯度，將各點的強度I(i,j)替換成其光強梯度；

S2：將光強梯度最大的像素擬合為橢圓，該橢圓曲線為斑點中心區域的輪廓線，橢圓中心點(u₀,v₀)作為整個斑點的中心，計算輪廓線外面各點(u,v)到輪廓線上的最近點(u_n,v_n)，利用下式將(u,v)移動到新點，得到半徑為0的理想物點所對應的點擴散函數彌散斑。

(u',v')＝(u,v)-(u_n,v_n)+(u₀,v₀)

所述斑點的直徑小于陣列周期，且大于所述彌散斑的寬度。

一種利用上述測量方法實現離軸成像系統點擴散函數的建模方法，包括以下步驟：

S1：對每個點擴散函數，采用斜正態函數進行擬合，