基于相位差法的稀疏孔径基准子镜的选择

介绍了相位差法基本原理,应用相位差法估算稀疏孔径成像系统各子镜误差,分析基准子镜对相位差法计算结果的影响.以Golay3稀疏孔径为例,提出利用稀疏孔径成像系统中的每个子镜单独对目标物成像,计算每个子镜的焦面成像图与原目标物图的算术平均值标准偏差(AMSD),将AMSD值最小的子镜设为基准子镜.分析在实际运用中基准子镜误差大小对系统剩余子镜误差估算精度的影响,最后讨论离焦量对相位差法计算精度的影响.理论仿真表明:利用相位差法对稀疏孔径成像系统各子镜误差进行估算时,必须先确定基准子镜;AMSD值越小,对应子镜的误差也越小,将其作为基准子镜,利用相位差法计算出的系统剩余子镜的误差也越小;在相位差法的计算过程中,改变离焦像的离焦量对计算结果影响不明显.     

基于遗传算法的稀疏孔径两次离焦相位差法

稀疏孔径望远镜的子镜装调误差是影响光学系统成像质量的主要因素之一。研究了基于遗传算法的两次离焦相位差法,即在稀疏孔径望远镜系统的两个不同的离焦面上获得两幅图像数据,采用遗传算法,通过最大似然估计目标函数最优化的方法,恢复目标图像并计算出稀疏孔径光学系统的活塞误差和倾斜误差,分析了复原图像的信噪比和方差。结果表明:遗传算法与两次离焦相位差法的结合不但可以精确求得子镜的装调误差,而且能够算出两次离焦的距离。与传统相位差法相比,计算时间相当,实验难度降低。     

衍射拼接主镜厚度误差分析及分辨率增强实验

基于傅里叶光学的基本原理和稀疏孔径光瞳结构,建立了子镜与衍射拼接主镜厚度误差间的关系模型。在子镜无衍射结构一侧微变形情况下,给出了任意低阶面形误差引入的相位差的一般表达式。以球面变形为例,分析计算了面形误差的容许范围,并采用ZEMAX光线追迹法对结果进行了交叉验证。对于子镜双侧无变形的特殊情况,运用蒙特卡罗方法讨论了子镜间厚度的一致性对拼接主镜成像质量的影响,给出了正态分布条件下衍射拼接主镜相干成像时子镜厚度误差的方差与极值范围。根据理论设计结果加工了两片离轴衍射子镜,开展了双子镜拼接成像性能实验。实验结果表明,衍射拼接主镜能提高等效分辨率。     

相位平移误差与子孔径自身像差对稀疏光学合成孔径系统成像质量的综合影响分析

稀疏光学合成孔径系统成像质量的提高需要综合考虑子孔径间相位平移误差和子孔径自身像差的影响.本文基于稀疏光学合成孔径系统的光瞳结构,利用傅里叶光学基本原理对系统的斯特列尔比(Strehl Ratio,SR)进行了理论推导,得到了包含相位平移误差和子孔径自身像差分离形式的该类系统的SR指标的理论公式.以两子孔径系统为例,计算并分析了在相位平移误差校正后和未校正时,系统SR指标在不同子孔径像差下的变化规律,研究了相位平移误差与子孔径像差对系统SR指标的综合影响.结果阐明了该类系统的成像质量受相位平移误差和子孔径自身像差双重制约的物理机理,且表明只有将子孔径自身像差校正至某限度内时,相位平移误差的校正才对系统SR指标的提高有明显意义. 关键词： 稀疏光学合成孔径 相位平移误差 像差 成像质量     

相位差法波前传感系统自身误差的分析及消除方法

 针对附加像差为离焦的情况,对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差以及图像噪声等因素带来的波前传感误差进行了数值模拟,并给出了确定焦面位置、对准焦面图像和离焦面图像、精确计算分光比、确定离焦量以及处理图像噪声的方法。使得传感结果的均方根误差分别由0.088 8λ,0.059 0λ,0.128 4λ,4.170 6λ,0.152 6λ降为0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.029 2λ。结果表明:这些方法可以有效地减小传感误差,大大提高了传感精度,为相位差法的实际应用提供了重要的技术支持。     

拼接孔径光学系统在轨失调相位恢复

为了提高遥感成像系统分辨率并降低大孔径光学系统的加工难度,拼接式合成孔径技术被应用于遥感领域。但是在拼接过程中,由于子镜失调会导致相位误差,致使光学系统成像分辨率下降,提出采用位相差相位恢复方法估计子镜失调引起的相位误差,并用于反求子镜失调,为在轨装调提供依据,最终达到改善系统成像性能的目的。将已知离焦位相情况下的模型输出与实际成像输出之间的差异作为失调相位估计的目标函数,建立了存在失调的拼接孔径系统成像的数学模型。通过对几种求解非线性方程最优解方法的比较,采用BFGS法来寻找位相最优估计值。仿真实验表明:提出的算法能将光学系统的相位恢复误差控制在6%范围内。     

光学合成孔径成像系统子孔径像差研究

根据波像差理论，推导了光学合成孔径成像系统单个子孔径存在各种像差时波面方差与子孔径数(N)的关系。推导结果表明，piston误差对系统的影响最大，其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散。运用离焦误差对piston误差、球差和像散进行像差平衡，其效果显著，特别是球差引起的波面方差下降90％。系统各项像差系数随子孔径数的增加而降低;当子孔径数大于6时，各像差系数变化缓慢。根据瑞利判据，计算N(N≤6)个子孔径合成系统的像差允限和相应的3孔径系统的斯特列尔比。     

复合三子镜稀疏孔径光瞳结构的研究

由于在截止频率区域内稀疏孔径系统的调制传递函数(MTF)比全孔径系统的调制传递函数下降,甚至调制传递函数可能出现零点而影响成像质量,通过稀疏孔径系统的结构优化可以获得调制传递函数分布比较理想的孔径结构。给出了基于实际空间截止频率ρR和子孔径直径的稀疏孔径结构优化准则,对复合三子镜稀疏孔径结构进行优化,分析了优化前后的调制传递函数变化,并对优化结构的复合三子镜稀疏孔径系统模拟成像和维纳滤波,比较优化前和优化后稀疏孔径结构的成像情况。结果表明结构优化是稀疏孔径光学系统设计的一个关键部分,应用的优化准则对稀疏孔径结构优化是合理的,通过结构优化可以使复合三子镜稀疏孔径系统的成像质量得到改善。     

轴锥镜成像系统的点扩散函数分析

为了使大景深光学镜头在工业视觉检测中的测量结果更准确,必须对中间图像进行复原,点扩散函数是图像复原的关键。根据轴锥镜最大无衍射距离公式设计了无衍射成像系统,以标量衍射理论为基础,在频域范围内利用稳定相法推导出系统的点扩散函数公式。利用准单色光理论,分析非相干光照明下的点扩散函数与锥镜夹角和离焦量的关系。仿真和实验结果表明:轴锥镜夹角越大,点扩散函数中心光强越强,衍射条纹越密;离焦像差对点扩散函数的影响与之相反。     

像散离焦检测系统中光斑能量中心偏移对测量精度的影响

通过推导高斯光条件下像散离焦检测系统中离焦量与聚焦误差信号功率之间的关系,分析了激光光斑能量中心相对四象限探测器几何中心的偏移距离和偏移角对离焦量测量精度的影响及其规律。在此基础上,提出了一种易于实现、能够精确定位四象限探测器的实验方法,该方法能够有效地提升系统抗干扰能力和探测精度,减小系统误差,加强系统稳定性。此过程对设计搭建高精度像散离焦检测系统具有重要的指导意义。     

子孔径拼接技术在大口径高陡度非球面检测中的应用

 为了能够精确地完成对大口径高陡度非球面在细磨和抛光过程中的测量,提出了一种将子孔径拼接技术和补偿技术相结合的检测方法。介绍了该方法的基本原理,建立了合理的数学模型,编制了拼接计算软件。利用该方法对一外形尺寸为400 mm×300 mm的高次离轴非球面进行了测试,通过最小二乘法拟合消去各子孔径相对基准子孔径的调整误差以及整个系统的装调定位误差,得到了准确的全孔径面形分布。对实验精度和误差来源进行了分析,并将拼接面形与全孔径测量面形相对比,二者是一致的。     

猫眼效应中离焦量对激光回波发散角的影响

平行光束或者激光束在光轴方向上照射焦平面成像系统时会产生猫眼效应,焦平面探测器安装的正交性与离焦量直接影响猫眼回波的光学特性,进而影响基于猫眼效应的探测系统的性能。针对猫眼效应中离焦量与后向反射光束发散角之间关系,利用物理光学进行分析,建立理论模型,对焦距为0.18 m的焦平面探测成像系统进行数值计算得到:在离焦量为0.16 mm时,发散角最小（0.019 mrad）。搭建实验系统,测试离焦量与猫眼回波发散角,测得离焦量在0.15 mm附近存在最小的发散角为0.025 mrad,与计算结果0.019 mrad基本吻合。研究表明:1） 负离焦对发散角的影响大于正离焦;2） 猫眼回波发散角基本上随着离焦量绝对值的增加而变大,但是变化曲线并不关于零离焦量点对称,而是在某个正离焦处存在一个最小发散角。     

离焦成像对面积测量的影响及误差修正

针对机器视觉中存在的离焦现象,采用理论与实验相结合的方法分析了离焦成像对面积测量的影响.实验表明,当离焦量（物面偏离对准平面的距离）为10 mm时,面积相对误差达31.3%.根据图像最大梯度值与离焦量之间的关系提出了一种误差修正的方法.首先标定图像最大梯度值与离焦量之间的关系,然后求待测图像的最大梯度值,由最大梯度值求出离焦量,最后根据离焦量对图像面积进行修正.结果表明,当离焦量小于10 mm时,经修正后图像面积相对误差小于3.8%.     

像散法离焦检测中的像散透镜参数设计

推导出了离焦量与聚焦误差信号功率的关系式。利用MATLAB软件仿真,详细分析了像散透镜系统各个参数对离焦量、灵敏度、光斑大小等的影响,得到了像散圆透镜与像散柱透镜焦距之间的距离关系。结果发现聚焦物镜和探测器参数对最小离焦量、灵敏度、精度有决定性的影响。提出了像散透镜系统各光学参数选择的原则和方法,并以德国Silicon Sensor公司的QP50-6型四象限探测器为例,详细分析了离焦量与聚焦误差信号功率的线性关系。这些工作对建立满足应用对象要求的像散法离焦检测系统具有重要的指导意义。     

离焦成像对面积测量的影响及误差修正

针对机器视觉中存在的离焦现象,采用理论与实验相结合的方法分析了离焦成像对面积测量的影响.实验表明,当离焦量(物面偏离对准平面的距离)为10 mm时,面积相对误差达31.3%.根据图像最大梯度值与离焦量之间的关系提出了一种误差修正的方法.首先标定图像最大梯度值与离焦量之间的关系,然后求待测图像的最大梯度值,由最大梯度值求出离焦量,最后根据离焦量对图像面积进行修正.结果表明,当离焦量小于10 mm时,经修正后图像面积相对误差小于3.8%.     

拼接主镜光学系统展开误差的分析

提高光学系统分辨率的主要方法是增大光学系统的通光口径,而使用子镜拼接得到一块等效大口径主镜是增大通光口径的常用方法。拼接主镜光学系统入轨后子镜进行展开,展开位置与设计位置偏差大小决定光学系统成像质量好坏,因此需要对子镜展开位置的精度进行分析。使用光学软件对拼接主镜光学系统建模,调整子镜6个自由度的位置误差得到其与系统成像质量的关系曲线。结果表明,针对不同位置的子镜,相同位置误差产生的系统波前误差的均方根(RMS)值大小不同,中层子镜对沿着X轴方向的移动敏感,而外层子镜对沿着Y轴方向上的移动敏感。通过对每个子镜单独分配位置误差与每个子镜分配相同的位置误差两种方式对子镜的展开精度进行误差分配,结果表明在产生相同波前误差的情况下,单独对每个子镜位置误差进行定义的精度相对较为宽松。     

空间碎片天基光学探测系统离焦问题分析

从相对距离、大气压力、温度变化三个方面分析了天基光学探测系统离焦产生的原因及离焦变化情况,提出通过离焦调制传递函数模型分析离焦对系统性能影响的方案,仿真分析了不同离焦量下系统等效调制传递函数的变化及其对成像质量的影响.结果表明,随着离焦量的增加,图像质量逐渐下降,相对距离变化导致的离焦为正值,大气压力变化导致的离焦为负值,温度变化导致的离焦在中心温度左右有正有负,三者导致的离焦量可部分抵消.该研究为天基光学探测系统的设计、补偿措施的制定以及性能评估提供了数据支持.     

600mm自适应望远镜最佳子孔径数仿真研究

基于自适应光学望远镜的成像特性,分析像斑中心亮度最大以及剩余波前误差最小两种情况下望远镜变形镜的最佳子孔径数范围,利用ZEMAX软件对驱动单元正三角形和矩形布局的变形镜波前校正进行仿真模拟,通过对含高速倾斜镜和不含高速倾斜镜两种情况下望远镜的分析,得到600mm自适应望远镜的最佳子孔径数。     

离焦成像条件下的螺纹牙型角修正方法

针对机器视觉中螺纹参数测量无法实现正确对焦的问题,通过理论与实验相结合的方法研究了离焦成像对螺纹牙型角参数测量的影响.证实了离焦现象对螺纹参数测量会造成不可忽略的误差.并且通过螺纹图像清晰度评价值与离焦量关系的分析,提出了螺纹牙型角误差修正的方法.首先对图像清晰度评价值与离焦量进行标定,然后求取待测图像的清晰度评价值,...     

一种新型投影曝光调焦方法

为研究大面积激光投影光刻的调焦,利用Zemax光学设计软件模拟离焦对光程差（OPD）和调制传递函数（MTF）的影响,分析二者对投影曝光图形质量的影响,给出系统最大的离焦量值。提出一种利用显微镜的调焦方法,分析此方法的调焦误差主要来自于显微镜景深,根据景深表达式和系统最大离焦量值,选择一款景深不大于系统最大离焦量的显微镜来构建调焦系统,并基于该调焦系统进行光刻实验。实验结果表明:利用该方法对投影成像光刻进行调焦,无论是否离焦,边缘视场与中心视场的MTF均有差异,分辨率也有差异,但这种差异不影响光刻图形的质量。