一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法和裝置的製作方法

2023-04-28 17:35:11 1

專利名稱：一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學設計領域，尤其涉及一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法和裝置。
背景技術：
在高解析度空間光學遙感器中，主鏡位於入瞳位置並且採用分塊方式，主鏡的各個分塊鏡的幾何形狀可為正六角形、正八角形和環扇形等。主鏡的各個分塊鏡之間存在間隙，次鏡及次鏡支撐杆對主鏡形成遮攔。這些間隙和遮攔使得光瞳形狀變得十分複雜，同時主鏡的各個分塊鏡還可能存在六個自由度的平移、傾斜誤差及面形誤差，這些因素都會對光學系統的成像產生影響。因此有必要分析複雜光瞳對成像的影響並給出定量的結果。
目前對複雜光瞳成像的分析方法主要有兩種，一種是解析法，即利用衍射成像理論直接推導出複雜光瞳的點擴散函數的解析表達式；另一種是仿真方法，即通過計算機仿真先將光瞳函數離散化，再利用快速傅立葉變換得到離散化的點擴散函數。
解析法適用於光瞳形狀比較規則、光瞳內像差形式比較簡單的情況，但當光瞳形狀或像差形式比較複雜時難以得到解析解，導致該方法無法適用。 現有的仿真分析方法將成像系統當作"黑箱"處理，即認為波前誤差全部來自入瞳，而出瞳是入瞳的理想像，不考慮光學系統自身的誤差，直接對離散化的光瞳函數做傅立葉變換計算PSF(點擴散函數)和MTF(調製傳遞函數)。該方法由於沒有考慮光學系統自身的設計誤差對分析結果的影響，所以分析結果也存在誤差，對於接近衍射極限的成像系統，這一誤差通常是可以接受的，但對於像差較大的系統，就必須考慮光學系統自身誤差的影響。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法和裝
置，能夠分析光瞳形狀、分塊主鏡的位置誤差和面形誤差對像質的影響。 為實現上述目的，本發明提供一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法，包括 建立與光學設計仿真模塊之間的數據傳輸通道； 通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送孔徑描述指令，所述光學設計仿真模塊中的非順序光學追跡組件根據所述孔徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模； 通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送所述分塊鏡位置誤差參數和面形誤差參數； 接收所述光學設計仿真模塊通過所述數據傳輸通道返回的出瞳波前誤差，其中所述出瞳波前誤差是由所述光學設計仿真模塊中的像質分析子單元根據主鏡分塊鏡位置誤差參數、面形誤差參數以及所述非順序光學追跡組件建立的主鏡的各個分塊鏡的模型，並模擬光線經過主鏡且歷經實際光學系統後進行成像像質分析得到的。
優選地，所述向光學設計仿真模塊發送孔徑描述指令具體實現為 向所述光學設計仿真模塊發送指示孔徑描述指令文件的信息，以便所述光學設計
仿真模塊中的非順序光學追跡組件能夠根據所述孔徑描述指令文件信息讀取所述孔徑描
述指令文件，所述孔徑描述指令文件中存儲有用於描述主鏡的各個分塊鏡的光瞳形狀的孔
徑描述指令。 優選地，所述分塊鏡位置誤差參數包括分塊鏡在X、Y和Z三個方向上的平移和傾斜誤差中的任意組合。 優選地，所述分塊鏡面形誤差參數包括分塊鏡的曲率半徑誤差、二次曲面係數誤差和以網格點矢高定義的面形誤差中的任意組合。 優選地，所述非順序光學追跡組件根據所述孔徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模包括 所述非順序光學追跡組件接收添加的主鏡的各個分塊鏡，所述主鏡的面形類型預先設置為非序列組件，所述主鏡的前後預先各插入一個虛擬面，並預先設定了所述主鏡上非順序光線追跡的入口和出口位置； 所述非順序光學追跡組件根據所述孔徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模。
另一方面，本發明實施例還提供一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析的裝置，包括 通道建立單元，用於建立與光學設計仿真模塊之間的數據傳輸通道； 光瞳形狀發送單元，用於通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送
孔徑描述指令，所述孔徑描述指令用於所述光學設計仿真模塊中的非順序光學追跡組件據
此對主鏡的各個分塊鏡進行建模； 誤差發送單元，用於通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送分塊鏡誤差參數和面形誤差參數； 接收單元，用於接收所述光學設計仿真模塊通過所述數據傳輸通道返回的出瞳波
前誤差，其中所述出瞳波前誤差是由所述光學設計仿真模塊中的像質分析子單元根據主鏡
分塊鏡位置誤差參數、面形誤差參數以及所述非順序光學追跡組件建立的主鏡的各個分塊
鏡的模型，並模擬光線經過主鏡且歷經實際光學系統後進行成像像質分析得到的。 優選地，所述光瞳形狀發送單元具體用於向所述光學設計仿真模塊發送指示孔徑
描述指令文件的信息，以便所述光學設計仿真模塊中的非順序光線追跡組件能夠根據所述
孔徑描述指令文件信息讀取所述孔徑描述指令文件，所述孔徑描述指令文件中存儲有用於
描述主鏡的各個分塊鏡的光瞳形狀的孔徑描述指令。 優選地，所述分塊鏡位置誤差參數包括分塊鏡在X、Y和Z三個方向上的平移和傾斜誤差中的任意組合。 優選地，所述分塊鏡面形誤差參數包括分塊鏡的曲率半徑誤差、二次曲面係數誤差和以網格點矢高定義的面形誤差中的任意組合。 通過本發明實施例，能夠分析主鏡各分塊鏡的光瞳形狀、主鏡各分塊鏡的位置誤差和面形誤差對像質的影響，具有較高的仿真精度和可信度。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。 圖1是本發明實施例一提供的一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法的流程 圖2是本發明實施例二提供的一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析裝置的示意圖。
具體實施例方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例一 本發明實施例一提供一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法，如圖1所示，該方法包括 步驟S101 :建立與光學設計仿真模塊之間的數據傳輸通道； 本實施例中的光學設計仿真模塊用於對分塊式進行建模並實現像質分析，在實際中，可以利用已經開發好的仿真軟體中的組件實現，例如可以利用Zemax軟體實現。本步驟中建立的數據傳輸通道用於與光學設計仿真模塊進行數據交互。 Zemax軟體支持兩種基本的光線追跡模式，即順序(Sequential)光線追跡和非順
序(Non-sequential)光線追跡。普通的光學系統都是在順序光線追跡模式下建立的。在
這種模式下光線只能從系統的一個光學表面追跡到下一個表面，並且每個表面只能被追跡
一次。當光學系統的主鏡包含多個分塊鏡時，需要對每個分塊鏡分別進行光線追跡，但它們
實際上又位於同一個主鏡表面上，這在順序光線追跡模式中是無法實現的，因此本實施例
中需要用非順序組件(Non-sequential Component)對主鏡進行重新建模。 步驟S102 :通過上述數據傳輸通道，向光學設計仿真模塊發送孔徑描述指令，其
中，該孔徑描述指令用於描述主鏡的各個分塊鏡的光瞳形狀。 其中，該孔徑描述指令是遵照非順序光線追跡組件的規定的，例如該非順序光線追跡組件中定義了描述圓、圓弧、直線、正多邊形等的幾何形狀的指令，在實際中只需要計算出分塊鏡的各個定點的坐標，然後基於非順序光線追跡組件中定義的孔徑描述指令，對分塊鏡的光瞳形狀進行描述。光學設計仿真模塊中的非順序光學追跡組件根據上述孔徑描述指令可以對主鏡的各個分塊鏡進行建模。其中，非順序光學追跡組件根據所述孔徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模可以採用如下步驟實現非順序光學追跡組件接收添加的主鏡的各個分塊鏡，該主鏡的面形類型預先設置為非序列組件，主鏡的前後預先各插入一個虛擬面，並預先設定了所述主鏡上非順序光線追跡的入口和出口位置；非順序光學追跡組件根據孔徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模。在本實施例中虛擬面是一個用於進一步分析波前的選定面。 在實際中，上述孔徑描述指令可以實現存儲在一個文件(以下稱為孔徑描述指令文件)中，然後非順序光線追跡組件通過讀取該孔徑描述指令文件即可獲取孔徑描述指令。基於上述考慮，步驟S102可以具體實現為向所述光學設計仿真模塊發送指示孔徑描
6述指令文件的信息。這樣，非順序光線追跡組件根據接收到的指示孔徑描述指令文件的信 息，可以定位孔徑描述指令文件並進行讀取，從而獲得該文件中的孔徑描述指令，即獲得分 塊鏡的光瞳形狀的描述。 步驟S103 :通過上述數據傳輸通道，向光學設計仿真模塊發送所述分塊鏡位置誤 差參數和分塊鏡面形誤差參數。 其中，上述分塊鏡位置誤差參數可以包括分塊鏡在X、Y和Z三個方向上的平移和 傾斜誤差中的任意組合。上述分塊鏡面形誤差參數包括分塊鏡的曲率半徑誤差、二次曲面 係數誤差和以網格點矢高定義的面形誤差中的任意組合。
步驟S104 :接收光學設計仿真模塊通過上述傳輸通道返回的出瞳波前誤差。
在本實施例中，光學設計仿真模塊中的像質分析子單元能夠實現對複雜光瞳成像
像質分析的功能，並且該像質分析子單元能夠根據非順序光學追跡組件建立的主鏡的各個
分塊鏡的模型以及接收到的分塊鏡位置誤差參數和面形誤差參數，並模擬光線經過主鏡且
歷經實際光學系統後進行像質分析，得到出瞳波前誤差，並將分析結果返回給調用方。在本
實施例中像質分析子單元在進行分析得出出瞳波前的過程中，模擬了光線經過了實際光學
系統，所以考慮了實際光學系統的自身誤差，仿真結果的逼真度和可信度更高。實際光學系
統的自身誤差可以包括系統設計誤差、系統除主鏡外，如次鏡、三鏡的裝調誤差等。 以下以像質分析子單元利用Zemax軟體實現為例詳細說明本實施例提供的方法
的具體實現。 以調用方為Matlab軟體為例。Matlab和Zemax之間可以通過動態數據交換 (Dynamic Data Exchange,DDE)技術進行實時的數據交互。動態數據交換(DDE)是允許各 種Windows應用程式間交換數據的通信機制。應用程式可以藉助DDE對話實現彼此間的 通信。請求建立對話的應用程式稱為客戶(Client)，而響應對話請求的應用程式稱為服務 器(Server) 。 Matlab作為Windows平臺上的應用程式，也具有藉助DDE與其他應用程式通 信的功能。在Matlab和Zemax的DDE通信中，Zemax通常是作為Server,而Matlab作為 Client。 Zemax中定義了大量代表某種操作的數據項(data item)，通過這些數據項可以修 改和獲取光學系統的各種參數。 為了實現複雜光瞳分析，首先建立Matlab與Zemax的組件之 間的數據傳輸通道。具體可以利用Matlab中的如下語句Cha皿el = ddeinit(' ZEMAX' ，' DDEWithZemax')。利用ddereq函數，Matlab可以向Zemax發送 指令，執行Item定義的操作，語句的通式為R印ly = ddereq (Channel, Item)。
Zemax軟體中定義了一批用於描述光瞳形狀的孔徑描述指令，例如CIR指令用於 描述圓，ARC指令用於描述圓弧，LIN指令用於描述正多邊形等。所以只需要根據主鏡的光 瞳參數計算出分塊鏡各個頂點的坐標，然後利用Zemax定義的孔徑描述指令就可以描述分 塊鏡的光瞳形狀。然後將分塊境的孔徑描述指令寫入Zemax支持的uda文件中。可以通過 如下語句實現向非順序組件發送指示孔徑描述指令文件的信息 SetUDA = ddereq(Channel， strcat ( ' SetAperture，2，8，0，0，0，0， '， UDAFileName. EdgeMirrl)) Zemax軟體中的非順序組件通過讀取孔徑描述指令文件中的孔徑描述指令，對主 鏡的分塊鏡進行建模。
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向Zemax發送分塊鏡位置誤差參數可以通過如下語句實現 SetTiltX = ddereq(Channel, [' SetNSCPosition， 2， 2， 4，'，皿m2str (PosErr.
PM. tiltX)]) 向Zemax中的非順序組件發送分塊鏡面形誤差參數可以通過如下語句實現
SetSurfErr = ddereq(Channel，' SetNSCObjectData，2，2，l，PMEdgeNSC. GRD')
Zemax中的像質分析子單元基於上述參數進行仿真像質分析，通過如下語句可以 獲得分析結果 R印ly = ddereq (Channel ，strcat(' GetTextFile， ' ，WFMPath， ' ，Wfm，，0')， [ll]) 在實際中還可以利用Matlab開發圖像用戶界面，對光瞳參數的設置和像質分析 進行即時顯示。 本實施例提供的複雜光瞳成像分析方法，能夠分析主鏡各分塊鏡的光瞳形狀、主
鏡各分塊鏡的位置誤差和面形誤差對像質的影響。 實施例二 本發明實施例二相應提供一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析的裝置，如圖2所 示，該裝置包括通道建立單元201、光瞳形狀發送單元202、誤差發送單元203和接收單元 204。 其中通道建立單元201用於建立與光學設計仿真模塊之間的數據傳輸通道。光瞳 形狀發送單元202用於通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送孔徑描述指 令，所述孔徑描述指令用於描述主鏡的各個分塊鏡的光瞳形狀，光學設計仿真模塊中的非 順序光學追跡組件能夠根據上述孔徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模。誤差發送單 元203用於通過據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送分塊鏡誤差參數和面形誤差參 數。接收單元204用於接收所述光學設計仿真模塊通過所述數據傳輸通道返回的出瞳波前 誤差，其中所述波前出瞳誤差是由光學設計仿真模塊中的像質分析子單元根據實際光學系 統的誤差、所述分塊鏡位置誤差參數、面形誤差參數以及所述非順序光學追跡組件建立的 主鏡的各個分塊鏡的模型進行成像像質分析得到的。 其中，光瞳形狀發送單元202可以向光學設計仿真模塊發送指示孔徑描述指令文 件的信息，光學設計仿真模塊中的非順序光線追跡組件根據該孔徑描述指令文件信息讀取 所述孔徑描述指令文件，孔徑描述指令文件中存儲有用於描述主鏡的各個分塊鏡的光瞳形 狀的孔徑描述指令。 上述分塊鏡位置誤差參數可以包括分塊鏡在X、 Y和Z三個方向上的平移和傾斜 誤差中的任意組合。上述分塊鏡面形誤差參數可以包括分塊鏡的曲率半徑誤差、二次曲面 係數誤差和以網格點矢高定義的面形誤差中的任意組合。 通過本實施例提供的複雜光瞳成像分析裝置，能夠分析主鏡各分塊鏡的光瞳形 狀、主鏡各分塊鏡的位置誤差和面形誤差對像質的影響。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法，其特徵在於，包括建立與光學設計仿真模塊之間的數據傳輸通道；通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送孔徑描述指令，所述光學設計仿真模塊中的非順序光學追跡組件根據所述孔徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模；通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送所述分塊鏡位置誤差參數和面形誤差參數；接收所述光學設計仿真模塊通過所述數據傳輸通道返回的出瞳波前誤差，其中所述出瞳波前誤差是由所述光學設計仿真模塊中的像質分析子單元根據主鏡分塊鏡位置誤差參數、面形誤差參數以及所述非順序光學追跡組件建立的主鏡的各個分塊鏡的模型，並模擬光線經過主鏡且歷經實際光學系統後進行成像像質分析得到的。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述向光學設計仿真模塊發送孔徑描述 指令具體實現為向所述光學設計仿真模塊發送指示孔徑描述指令文件的信息，以便所述光學設計仿真 模塊中的非順序光學追跡組件能夠根據所述孔徑描述指令文件信息讀取所述孔徑描述指 令文件，所述孔徑描述指令文件中存儲有用於描述主鏡的各個分塊鏡的光瞳形狀的孔徑描 述指令。
3 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述分塊鏡位置誤差參數包括分塊 鏡在X、 Y和Z三個方向上的平移和傾斜誤差中的任意組合。
4 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述分塊鏡面形誤差參數包括分塊 鏡的曲率半徑誤差、二次曲面係數誤差和以網格點矢高定義的面形誤差中的任意組合。
5. 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述非順序光學追跡組件根據所述孔 徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模包括所述非順序光學追跡組件接收添加的主鏡的各個分塊鏡，所述主鏡的面形類型預先設 置為非序列組件，所述主鏡的前後預先各插入一個虛擬面，並預先設定了所述主鏡上非順 序光線追跡的入口和出口位置；所述非順序光學追跡組件根據所述孔徑描述指令對主鏡的各個分塊鏡進行建模。
6. —種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析的裝置，其特徵在於，包括 通道建立單元，用於建立與光學設計仿真模塊之間的數據傳輸通道； 光瞳形狀發送單元，用於通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送孔徑描述指令，所述孔徑描述指令用於所述光學設計仿真模塊中的非順序光學追跡組件據此對 主鏡的各個分塊鏡進行建模；誤差發送單元，用於通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送分塊鏡誤 差參數和面形誤差參數；接收單元，用於接收所述光學設計仿真模塊通過所述數據傳輸通道返回的出瞳波前誤 差，其中所述出瞳波前誤差是由所述光學設計仿真模塊中的像質分析子單元根據主鏡分塊 鏡位置誤差參數、面形誤差參數以及所述非順序光學追跡組件建立的主鏡的各個分塊鏡的 模型，並模擬光線經過主鏡且歷經實際光學系統後進行成像像質分析得到的。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述光瞳形狀發送單元具體用於向所述光學設計仿真模塊發送指示孔徑描述指令文件的信息，以便所述光學設計仿真模塊中的非順序光線追跡組件能夠根據所述孔徑描述指令文件信息讀取所述孔徑描述指令文件，所述孔徑描述指令文件中存儲有用於描述主鏡的各個分塊鏡的光瞳形狀的孔徑描述指令。
8. 根據權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，所述分塊鏡位置誤差參數包括分塊鏡在X、 Y和Z三個方向上的平移和傾斜誤差中的任意組合。
9. 根據權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，所述分塊鏡面形誤差參數包括分塊鏡的曲率半徑誤差、二次曲面係數誤差和以網格點矢高定義的面形誤差中的任意組合。
全文摘要
本發明提供在一種分塊式主鏡複雜光瞳成像分析方法和裝置，該方法包括建立與光學設計仿真模塊之間的數據傳輸通道；向所述光學設計仿真模塊發送孔徑描述指令；通過所述數據傳輸通道，向所述光學設計仿真模塊發送所述分塊鏡位置誤差參數和面形誤差參數；接收所述光學設計仿真模塊通過所述數據傳輸通道返回的出瞳波前誤差，其中所述出瞳波前誤差是由所述光學設計仿真模塊中的像質分析子單元根據主鏡分塊鏡位置誤差參數、面形誤差參數以及各個分塊鏡的模型，並模擬光線經過主鏡且歷經實際光學系統後進行成像像質分析得到的。本發明提供的複雜光瞳成像分析方法和裝置能夠分析主鏡各分塊鏡的光瞳形狀、主鏡各分塊鏡的位置誤差和面形誤差對像質的影響。
文檔編號G02B27/00GK101719178SQ20091023739
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者俞信, 張曉芳, 董冰 申請人:北京理工大學