一種光學系統彌散斑和色偏差測試裝置的製作方法

2023-06-03 10:40:16 3

專利名稱：一種光學系統彌散斑和色偏差測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光學系統彌散斑和色偏差的測試裝置。
背景技術：
CCD星敏感器屬於高精度光學敏感器，是以恆星作為測量基準的姿態敏感器，主要
給太空飛行器的飛行姿態及位置提供準確的信息。其基本原理是通過光學系統將瞬間視場中的
若干恆星成象於CCD光敏面上，經過圖像處理與星表進行擬合，完成對視場內恆星的識別，
進而可以確定當前時刻敏感器光軸在慣性坐標系下的指向。姿態測量是通過恆星間角距的
測量來實現的，而星象中心計算精度直接影響角距的測量，由此可見星象的質量在姿態測
量中的重要性，因此說光學系統的優劣不僅直接影響星敏感器的測量精度，而且關係到整
個星敏感器能否正常工作。普通光學系統都要求在象面上的點擴散直徑越小越好，而星敏
感器光學系統在象質上要求與一般光學系統不同，為了正確識別出星體和判斷衛星的準確
位置，它要求全視場範圍內星體重心定位精度高，即在象面上點擴散圓的直徑分布在一個
特定的範圍，同時在光譜範圍內重心偏差值也要小，因此光學系統必須要校正的是由於像
點能量擴散不對稱而引起的像差，即造成像點中心偏移和幾何失對稱的畸變和彗差(隨視
場不同而變化)。 一般情況下，光學系統設計時已經將此象差校正到相當小數量級，但是經
過加工、裝配以及材料本身的影響，實際上的光學系統象差結果與設計值有很大的出入，這
就需要對光學系統不同視場、不同波長的彌散斑直徑和色偏差進行定量的測量，判定其是
否滿足所需的象質要求。對於星敏感器這樣一個要達到角秒級測量精度的敏感器來說，光
學系統帶來的誤差，要佔其總誤差中相當大部分，從而限制了敏感器精度的進一步提高，隨
著衛星姿態控制要求的日益提高，對星敏感器的精度要求必將更高，而且其工作波段已由
可見光逐漸向紫外及近紅外波段發展，因此傳統專業人員通過眼睛目視觀察測量星敏感器
光學系統性能已遠遠不能滿足要求。 傳統的光學系統彌散斑測試原理參見圖l，將被測光學系統104固定在光具座轉 臺103上，光源100前加濾光片101，照亮平行光管102焦面上的星點，利用光具座的平行光 管102形成無窮遠目標，以人眼為接收器，在被測光學系統像面處採用讀數顯微鏡105觀察 彌散斑形狀並測量彌散斑直徑。該方法存在以下缺點 1、測量精度低。由於利用人眼進行觀測，人眼看到的只是幾何形狀的分布，而不是 能量的分布，並不能真實的反映被測光學系統的彌散斑分布情況，同時由於個體之間的差 異導致瞄準誤差大，彌散斑尺寸測試精度在10 ii m左右，只能大致判定色偏差值的範圍，不 能精確測得色偏差值。 2、安裝調試工作複雜，測試效率低。由於光具座使用的是滷鎢燈光源，若想得到單 色波長的彌散斑必須在光源前加幹涉濾光片，這樣使得接收到的能量大大降低，並且由於 不同濾光片的透過率不同，導致能量不均勻，滿足測量需要的最佳像面不容易找到，調整過 程費時費力； 3、受人眼視見函數限制，被測光學系統的光譜範圍只能限制在可見光範圍內。

實用新型內容為了解決背景技術中所存在的技術問題，本實用新型提出了一種利用CCD顯微測 量單元自動測量光學系統彌散斑和色偏差的裝置，並提出了光學系統彌散斑和色偏差判讀 的算法，並且此裝置能夠有效的測試各種光學系統在不同波長範圍下的彌散斑直徑和色偏 差，很好的保證了光學系統的成像質量。 本實用新型的技術解決方案是一種光學系統彌散斑和色偏差的測試裝置，該裝 置包括單色儀、目標靶輪、平行光管、轉臺、CCD顯微測量單元以及採集與控制計算機；所述 單色儀、目標靶輪、平行光管以及CCD顯微測量單元依次位於同一光軸上；所述轉臺用於設 置被測光學系統和CCD顯微測量單元；所述轉臺、單色儀和CCD顯微測量單元都和採集與控 制計算機連接。 上述CCD顯微測量單元由顯微物鏡、CCD探測器，二維位移臺以及控制器組成；顯 微物鏡與CCD探測器通過鏡筒連接設置在二維位移臺上；二維位移臺連接於控制器。 上述測試裝置還包括目標控制器，所述目標控制器連接目標靶輪和採集與控制計 算機。 上述測試裝置還包括移動控制箱，所述移動控制箱分別與CCD顯微測量單元和轉 臺連接。 上述平行光管是全反射式，所述轉臺是電動控制的數顯轉臺，所述轉臺上設置有 導軌。 本實用新型的優點是 1、測量精度高。CCD顯微測量單元的光學系統，採用平場復消色差設計，具有優 異的成像質量和較高的放大倍率，目標像經過顯微物鏡放大後在CCD靶面成像，圖像處 理軟體配合相應的算法，使彌散斑測量精度可以達到0.5iim，色偏差測量精度可以達到 0. 3踐。 2、編制高精度的圖像判讀軟體彌散斑判讀方法採用圖像預處理合成技術，將採
集的圖像預先自適應背景處理，按照瑞利判據的能量分布要求提取目標理想能量分布，並
按照具體彌散斑包含的能量範圍要求確定其理論彌散斑尺寸，以此為半徑在圖像上畫圓，
並將此圖像再與原圖合成(合成時必須使兩幅圖中彌散斑的中心重合)形成彌散斑能量合
成圖，按照合成圖彌散斑半徑，進行實際圖像彌散斑直徑的測量處理，得到要求的彌散斑直
徑。由於CCD探測器測量得到的圖像彌散斑大小是以CCD探測器像元尺寸為衡量單位，此
算法中為了提高測量精度，圖像處理中對像元採取了亞像元細分技術。 3、測試自動化程度、效率高。傳統方法中靠人眼進行瞄準，不僅瞄準精度低，而且
較為費時費力，一個測回最少需要3名人員用時2-3小時。新方法中，用CCD顯微測量單元
代替了人眼，可實時方便的進行調整，大大提高了測量效率，一個測回最多需要2名人員用
時30分鐘。 4、光譜測量範圍寬。本實用新型可以真實地測量出被測光學系統彌散斑能量分布 情況，採用CCD作為接收器，滿足光學系統實際應用的需要，可以實現全譜段測量。 5、數據處理方便快捷。編制了自動化程度高的調試及測試分析處理軟體，測試過 程中產生的有效數據都能實時處理和存儲在計算機中，同時也保存了原始圖像，便於後續的處理和分析。 6、實時性好、擴展功能強。本實用新型結構簡單，方便多人同時觀測全部測試過 程，不僅可以對光學系統的彌散斑、色偏差進行高精度測試，而且可以對被測光學系統的焦 距、畸變、成像質量等進行實時測量。

圖1是現有技術的結構示意圖； 圖2是本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式參見圖2，本實用新型提供的敏感器光學系統彌散斑和色偏差測試裝置，包括單色 儀1、目標靶輪2、目標控制器3、平行光管4、被測光學系統5、二維CCD顯微測量單元6、數顯 轉臺7、控制器8、採集與控制計算機9、減震平臺10 ;單色儀1的光譜範圍要求能夠覆蓋被 測光學系統的光譜範圍；單色儀1通過計算機控制，將目標單元照亮；目標靶輪2和目標控 制器3組成一 目標單元，，目標靶輪2是在一個圓盤上同時裝有多個目標板，由目標控制器 3控制其轉動，主要用於提供不同大小的星點目標；目標靶輪2連接於目標控制器3，目標控 制器3與採集與控制計算機9連接；平行光管4為全反射式，可以提供理想的無窮遠目標； 數顯轉臺7是電動控制的，並且轉臺上設置有導軌，二維CCD顯微測量單元6可以在導軌上 運動；數顯轉臺7連接於採集與控制計算機9，可以進行實時顯示，用於提供被測光學系統 不同視場的位置角度；二維CCD顯微測量單元6由不同顯微物鏡、CCD探測器、二維位移臺 及控制器8組成，顯微物鏡與CCD探測器通過鏡筒連接設置在二維位移臺上；二維位移臺連 接於控制器8 ;顯微物鏡用具有高成像質量、不同放大倍率的顯微物鏡，CCD探測器是寬光 譜響應範圍且響應線性度好的；二維位移臺要具有良好的運動直線性、垂直度；二維CCD顯 微測量單元主要用於測量被測光學系統不同視場星點彌散斑的大小和色偏差的位置。可以 控制目標移動的現有控制器都可以作為本實用新型中的目標控制器3 ;二維CCD顯微測量 單元6中的二維位移臺和控制器8可以是現有的可以實現二維移動的結構和控制二維移動 的控制器8。 本實用新型提供的敏感器光學系統彌散斑和色偏差測試裝置，目標像經過顯微 物鏡放大後在CCD靶面成像，圖像處理軟體配合相應的算法，使彌散斑測量精度可以達到 0. 5 ii m，色偏差測量精度可以達到0. 3 ii m。彌散斑判讀方法採用圖像預處理合成技術，將採 集的圖像預先自適應背景處理，按照瑞利判據的能量分布要求提取目標理想能量分布，並 按照具體彌散斑包含的能量範圍要求確定其理論彌散斑尺寸，以此為半徑在圖像上畫圓， 並將此圖像再與原圖合成(合成時必須使兩幅圖中彌散斑的中心重合)形成彌散斑能量合 成圖，按照合成圖彌散斑半徑，進行實際圖像彌散斑直徑的測量處理，得到要求的彌散斑直 徑。由於CCD探測器測量得到的圖像彌散斑大小是以CCD探測器像元尺寸為衡量單位，此 算法中為了提高測量精度，圖像處理中對像元採取了亞像元細分技術。用CCD顯微測量單 元代替人眼，可實時方便的進行調整，並可多人同時觀測，一個測回最多需要2名人員用時 30分鐘大大提高了測量效率。本實用新型可以真實底冊量出被測光學系統彌散斑能量分布 情況，採用CCD作為接收器，滿足光學系統實際應用的需要，可以實現全譜段測量；另外，編制了自動化程度高的調試及測試分析處理軟體，測試過程中產生的有效數據都能實時處理 和存儲在計算機中，同時也保存了原始圖像，便於後續的處理和分析。
權利要求一種光學系統彌散斑和色偏差的測試裝置，其特徵在於該裝置包括單色儀、目標靶輪、平行光管、轉臺、CCD顯微測量單元以及採集與控制計算機；所述單色儀、目標靶輪、平行光管以及CCD顯微測量單元依次位於同一光軸上；所述轉臺用於設置被測光學系統和CCD顯微測量單元；所述轉臺、單色儀和CCD顯微測量單元都和採集與控制計算機連接。
2. 根據權利要求l所述的光學系統彌散斑和色偏差的測試裝置，其特徵在於所述CCD 顯微測量單元由顯微物鏡、CCD探測器，二維位移臺以及控制器組成；顯微物鏡與CCD探測 器通過鏡筒連接設置在二維位移臺上；二維位移臺連接於控制器。
3. 根據權利要求1或2所述的光學系統彌散斑和色偏差的測試裝置，其特徵在於所述測試裝置還包括目標控制器，所述目標控制器連接目標靶輪和採集與控制計算機。
4. 根據權利要求1或2所述的光學系統彌散斑和色偏差的測試裝置，其特徵在於所述測試裝置還包括移動控制箱，所述移動控制箱分別與CCD顯微測量單元和轉臺連接。
5. 根據權利要求1所述的光學系統彌散斑和色偏差的測試裝置，其特徵在於所述平行光管是全反射式，所述轉臺是電動控制的數顯轉臺，所述轉臺上設置有導軌。
專利摘要本實用新型涉及一種光學系統彌散斑和色偏差的測試裝置，該裝置包括單色儀、目標靶輪、平行光管、轉臺、CCD顯微測量單元以及採集與控制計算機；單色儀、目標靶輪、平行光管以及CCD顯微測量單元依次位於同一光軸上；轉臺用於設置被測光學系統和CCD顯微測量單元；轉臺、單色儀和CCD顯微測量單元都和採集與控制計算機連接。本實用新型能夠有效的測試各種光學系統在不同波長範圍下的彌散斑直徑和色偏差，很好的保證了光學系統的成像質量。
文檔編號G01M11/02GK201540198SQ20092024504
公開日2010年8月4日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者周豔, 張潔, 徐亮, 趙建科, 陳永權 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所