红外光学系统成像像质的检测

Inspecting the Imaging Quality of Infrared Optical Systems
DU Wanqing1 KE Hongmei2
(1Huazhong Institute of Optoelectronic Technology, 2Hubei Institute of Education, Wuhan 430073)
仅取一个面就对光学系统进行全 面 分 析 评 价 ，分 析 量 很 大 ，不 宜 实 时处理，而且数据量也不够。所以， 除了检测最佳成像光斑外，要对轴 向光能分布进行检测。本文研究一 种球差比较系统，通过最佳成像光 斑和离焦光斑进行检测比较红外 热像系统像质。
2 光学系统球差检测原理
红外热像系统是一个对无穷远 红外目标成像的系统，采用一个红 外光源，通过准直光管形成平行光
5 检测特点
球差测试系统集最小光斑检测 与球差比较两项测试进行Fra Baidu bibliotek通过 CCD 采集数据后，由软件处理实现。 它能对光学系统最佳像面上的光斑 求偏心、求大小，能量求和、求差、比 较等统计计算，较传统方法优越很 多，大大减少了人为因素的影响，精 度可达到 1 码的中心偏，是其它方法 难以达到的。且它能自动寻找最佳像 面位置，可选取像方不同位置、不同 视场来进行测量。它可测量指定像面 上光斑的大小和形状，进一步分析比 较光学系统的像差。
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因最小光斑面不是焦面，另一 面最好选择近光轴的成像面，热像 系统光学系统设计者根据像差设 计理论可给出。但基于可操作性和 可比较性，采用与最小光斑相距一 定处的固定像面检测，可分析光学 系统质量。
激光与光电子学进展
4 光斑大小的检测
4.1 最佳光斑的检测 通过自动聚焦确定最佳像面
后要根据采集的灰度数值进行最 小成像光斑大小的确定与分析计 算。流程为：光强能量截取寅光斑 中心确定寅光斑大小计算寅其它 量计算寅三维图形绘制。
Abstract The system is used to inspect the imaging quality of infrared optical systems，which can incept signals, by CCD and measure the position，size，and light energy distribution of the minimal imagining spots, shape and size of the fixed imaging area spots. It can display the results by the forms of data and three dimension graph and evaluate the imagining quality of the optical systems. Key words infrared optical system globe error CCD measurement
3 检测位置的确定
光学系统有轴向球差与垂轴 球差。轴向球差表现为宽光束成像 时边光像点与近轴光像点的轴向 距离，垂轴球差是指近轴光像面上 光斑大小。因此应选定近轴光焦点 与边光焦点进行测量。
热像系统是利用聚焦面工作 的，这个面光斑最小，称为最佳像 面。从热像系统的使用角度考虑，最 好检测其聚焦光斑，即最小光斑，检 测位置为最佳像面。值得注意的是 最佳像面不是焦面。最小光斑面位 置的确定是检测技术的关键。
收稿日期: 2005-03-31; 收到修改稿日期: 2005-04-11 作者介简: 杜万青(1976~)，河南开封人，华中科技大学硕士研究生，主要从事光电系统装调研究工作。
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强、恢复、几何分析、聚焦等，便可判 断光学系统的轴上点球差。 CCD 与工作台旋转以检测轴外光斑。如 果光学系统不是对无穷远成像，应 选一个适当的物体作为成像目标。
6 总结
该系统模拟了光学系统的实际
工作状态，解决了红外光学系统像质
评价的技术难题并在实际中运用，也
便于装配技术人员参与、认识和理解
光学理论，有利于红外光学像质的提
高和稳定。
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照明被测透镜，采用 CCD 接收分 析。图 1 为红外热像系统的成像光 斑检测仪布局图，用于热像系统生 产过程的检测。用 LD 抽运的 YAG 的 1.064滋m 激光器，经过扩束准直 后成为一束大口径、照明均匀的光 束，通过衰减处理，照射到被测光学 系统 (热像系统透镜) 上，光束在 CCD 成像面 上 聚焦 为一 个 光斑 。 CCD 探测器可作轴向位移以检测 最佳像面及离焦面的光斑，由 CCD 采集成像光斑信号，通过对此光斑 信号的数字信号处理，包括图像增
图 1 红外光学系统成像像质检测系统工作原理图。1：激光器；2：平行光管；3：复合衰 减器；4：被测光学系统；5：电转台；6：CCD 探测器；7：三维调整装置；8：纵向电移 台；9：光具底座；10：采集卡；11：横向电移台；12：打印机；13：计算机；14：三维电 控箱；15：被测件调焦装置；16：激光器驱动电源控制箱
所以固定像面光斑要检测中央 亮斑中心、中央亮斑半径、环形亮斑
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图 3 离焦光斑三维能量分布图
半径及环形亮斑峰值。首先确定中心 中央亮斑和大小，它与最佳像面光斑 确定方法相同，只是光斑半径大小统 计范围计算到最佳像面光斑半径处。
从实测数据分析中发现，环形亮 斑半径大于最小成像光斑半径。采用 从最小成像光斑的半径开始向外画 圆，求出每一圈的平均光强并比较其 光强的峰值，确定最大强度与半径。 图 3 为离焦光斑三维能量分布图。实 测结果发现，最小成像光斑相同时， 固定像面光斑不一定相同。
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激光与光电子学进展
Vol.42, No.9 Sep. 2005
红外光学系统成像像质的检测
杜万青 1 柯红梅 2
(1 华中光电技术研究所，2 湖北教育学院，武汉 430074)
摘 要 该系统可用于红外光学系统成像质量的检测，它用 CCD 接收信号，通过自动聚焦，检测最小成像光斑的位置、 大小、光能分布以及固定像面光斑的形状与大小，以数据和三维图形显示测量结果，评价光学系统的成像质量。 关键词 红外光学系统 球差 CCD 测量
光学系统的像差包括很多内容，但
很难进行单项检测，轴上点球差是
光学系统的最主要的像差。红外热
像系统为了收集大量光能，往往采 用一个大口径光学系统，而为了使
结构紧凑，往往焦距不大。故系统
相对孔径大，像差特别是球差大。 红外热像光学系统的质量可以用 最佳成像光斑评价。但最佳成像光 斑面实际不是光学系统焦面。而且
1 引言
评价光学系统的像质，就是在 与光学系统实际使用相同的条件 下，观察或测定其像方的光束结 构 、波 面 形 状 或 成 像 情 况 ，根 据 观 测结果分析像质的好坏。评价像质 的 方 法 很 多 ，传 统 的 有 ：测 定 光 学 系统鉴别率、星点法和阴影法等。
红外热像系统作为光电跟踪 设备及红外潜望设备的一个关键 传感器件，其质量影响到对目标的 搜索、识别、捕获和跟踪能力。因此 其光学系统的成像质量非常重要。
参考文献
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图 2 最佳成像光斑能量分布图
4.2 离焦光斑的检测 图 3 为计算机用 matlab 模拟
的一个光斑三维图形。它是由两个透 镜组合的一个光学系统，用不同高度 入射的光线进行追迹在近轴光焦面 上获得的三维图形。以一个单元上通 过的光线数代表光强大小，以高度表 示。此光斑与最佳成像光斑不同，呈 现为一个中央亮斑与一个环形亮斑。
灰度截取：由 CCD 的暗电流等 确定光能量计算的域值，灰度值(光 强)高于域值的为有效信号,参与计 算，减小计算量，提高精度。
光斑中心确定：计算光斑灰度 值的重心，以重心作为光斑中心。
光斑大小计算：以光斑中心为圆 心，以等距离圆环逐渐向外扩展，直 到圆内所有点的光强和满足：圆内所 有点的光强和/总光强和=预定的能 量比(80%耀90%)，以此理想圆的直径 表示光斑大小。对于光斑中心的光强 过饱和部分进行适当的加权求和，以 求计算结果在最大程度上逼近真实 值，图 2 为最小成像光斑。
我们通过工控机控制 CCD 移 动，用调焦评价函数来比较光斑大 小进行定位。从无偏性、单峰性、能 反映离焦极性、较高的信噪比、计 算量小几个方面分析，在本系统 中，光斑图像与背景图像差别较 大，基于计算量和成像误差的考 虑，采用灰度方差作为调焦函数的 评价函数。为了迅速定位，将传统 的登山随动聚焦法应用于此项功 能中。CCD 从一定远距离开始，首 先向山顶方向(光斑小的方向)大步 距运行取样，以减少时间。到山顶 附近，再以小步距(0.05mm)正向和 逆向运行，以保证精度。取正反两 次最大方差值的平均值处作为最 佳成像光斑面。