專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，涉及利用光學(xué)空間濾波器，對(duì)光學(xué)傳遞函數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法和裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x器，根據(jù)光學(xué)傅立葉分析法，就需要面積型或密度型的正弦光柵，但是正弦光柵的制作比較困難。
光電傅立葉分析法使用矩形光柵代替正弦光柵，并以電學(xué)濾波方法除去高次諧波，進(jìn)行零頻歸一而取出正弦波；摩爾條紋法，利用摩爾條紋產(chǎn)生的三角波代替正弦波；電學(xué)傅立葉分析法，要利用多個(gè)濾波器測(cè)量各次諧波；數(shù)字傅立葉分析法，也是使用矩形光柵，利用計(jì)算機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行傅立葉分析；此外還有自相關(guān)法、互相關(guān)法和頻譜比較法等，這幾種光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量方法或者在數(shù)學(xué)處理上比較麻煩，或者在儀器制造上比較困難。光源采用溴鎢燈的方法，由于使用窄帶濾光片，一般光度效率比較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)溴鎢燈光源和窄帶濾光片組合造成光度效率比較低，制作正弦光柵比較困難，以及使用矩形光柵的在數(shù)學(xué)處理上比較麻煩等問(wèn)題，本發(fā)明利用激光光源和光學(xué)空間濾波器產(chǎn)生正弦光強(qiáng)像，進(jìn)行光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量，并提供一種光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量裝置。
本發(fā)明裝置包括激光器、光束整形系統(tǒng)、減光板、矩形光柵、傅立葉變換透鏡、光學(xué)空間濾波器、變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)、限制性光欄、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、變倍放大系統(tǒng)、面陣CCD、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。光束整形系統(tǒng)位于激光器的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；減光板位于光束整形系統(tǒng)的后面；矩形光柵位于減光板的后面，使矩形光柵定位在傅立葉變換透鏡的前焦平面上；光學(xué)空間濾波器位于傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位在變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦平面上；限制性光欄定位在變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)的后焦平面上；待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的前焦平面定位在限制性光欄的附近；變倍放大系統(tǒng)位于面陣CCD的前面，并定位在待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的后焦平面附近；面陣CCD的輸出信號(hào)線連接到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
當(dāng)采用本發(fā)明進(jìn)行光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量時(shí)a.首先調(diào)整由激光器1、光束整形系統(tǒng)2、減光板3、矩形光柵4、傅立葉變換透鏡5、光學(xué)空間濾波器6、變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)7、限制性光欄8、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9、變倍放大系統(tǒng)10、面陣CCD11組成的整個(gè)光路系統(tǒng)的同軸等高，再將待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，如圖1位置配置；b.調(diào)節(jié)光學(xué)空間濾波器上板的V字光闌，使V字光闌相對(duì)于底板的一字光闌上下滑動(dòng)選擇基頻，并調(diào)整減光板使基頻同二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像的光強(qiáng)接近，調(diào)節(jié)變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)放大倍率為一，調(diào)節(jié)變倍放大系統(tǒng)適應(yīng)面陣CCD的圖像采集，利用變倍放大系統(tǒng)及面陣CCD采集待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)輸入的正弦光強(qiáng)像，再將輸入的正弦光強(qiáng)像輸入到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)；再利用變倍放大系統(tǒng)及面陣CCD采集待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)輸出的正弦光強(qiáng)像，再將輸出的正弦光強(qiáng)像輸入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)比較輸入和輸出到面陣CCD的正弦光強(qiáng)像振幅衰減和位相移動(dòng)，即可得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在基頻下的光學(xué)傳遞函數(shù)；c.微調(diào)限制性光欄，改變初位相，其它如步驟b，可得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在基頻下不同初位相下的光學(xué)傳遞函數(shù)；d.去掉減光板，調(diào)節(jié)光學(xué)空間濾波器產(chǎn)生二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像輸入，調(diào)節(jié)變倍放大系統(tǒng)適應(yīng)面陣CCD的圖像采集，其它如步驟b、c，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在二倍頻、三倍頻的空間頻率下的光學(xué)傳遞函數(shù)；e.更換不同空間頻率的矩形光柵，以及調(diào)節(jié)變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)和光學(xué)空間濾波器對(duì)需要檢測(cè)的空間頻率進(jìn)行掃描，調(diào)節(jié)變倍放大系統(tǒng)適應(yīng)面陣CCD的圖像采集，其它如步驟b、c，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在需要檢測(cè)的空間頻率下的光學(xué)傳遞函數(shù)；f.在使用的光譜波段，變換不同波長(zhǎng)的激光器，再按照b、c、d、e步驟測(cè)量各波長(zhǎng)的光學(xué)傳遞函數(shù)，然后進(jìn)行光譜加權(quán)平均得到多色光傳遞函數(shù)，則完成了光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)由于本發(fā)明采用激光光源，解決了窄帶濾光片帶來(lái)的光度效率低的問(wèn)題，使得光學(xué)系統(tǒng)的光度效率高；利用光學(xué)空間濾波器(機(jī)械式或液晶光閥式)，產(chǎn)生正弦光強(qiáng)像，調(diào)節(jié)光學(xué)空間濾波器可在基頻的基礎(chǔ)上產(chǎn)生二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像，避免了制作正弦光柵的困難，并且數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)單，儀器制造容易；本發(fā)明采用各種光學(xué)元件均為常用器件，制作容易，可在實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單配置，亦可進(jìn)行批量生產(chǎn)。本發(fā)明主要應(yīng)用于航天、航空、軍事、民用等光學(xué)函數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明裝置示意2是本發(fā)明機(jī)械式光學(xué)空間濾波器的上板和V字光闌圖3是本發(fā)明機(jī)械式光學(xué)空間濾波器的底板和一字光闌圖4是本發(fā)明機(jī)械式光學(xué)空間濾波器的動(dòng)態(tài)工作表示具體實(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3、圖4所示本發(fā)明包括激光器1、光束整形系統(tǒng)2、減光板3、矩形光柵4、傅立葉變換透鏡5、光學(xué)空間濾波器6、變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)7、限制性光欄8、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9、變倍放大系統(tǒng)10、面陣CCD11，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)12。
光學(xué)空間濾波器6包括上板13和底板14，上板13與底板14疊放在一起，在上板13本體上制備有V字光闌15，在底板14本體上制備有一字光闌16，V字光闌15與一字光闌16相對(duì)放置。
激光器1、光束整形系統(tǒng)2、減光板3、矩形光柵4、傅立葉變換透鏡5、光學(xué)空間濾波器6、變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)7、限制性光欄8、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9、變倍放大系統(tǒng)10、面陣CCD11均放置在三維調(diào)整架上，并同調(diào)整架共同置于光學(xué)導(dǎo)軌或光學(xué)平臺(tái)上。光學(xué)空間濾波器6采用機(jī)械式或液晶光閥式。
傅立葉變換透鏡5、變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)7和變倍放大系統(tǒng)10的空間分辨率一定要高于待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9的空間分辨率。
激光器1選用單模激光器(最好為面發(fā)射，面集成)，為了多色光傳遞函數(shù)的測(cè)量，選擇固體激光器，在可見(jiàn)及近紅外波段有各種波長(zhǎng)的激光器可供選用。
光束整形系統(tǒng)2針對(duì)大的光柵面積，對(duì)激光束擴(kuò)束準(zhǔn)直，并達(dá)到被照射光柵面的光強(qiáng)密度均勻。
減光板3是防止最終輻射到面陣CCD光敏面的照度過(guò)大而飽和。并且調(diào)整減光板使基頻同二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像光強(qiáng)接近矩形光柵4和傅立葉變換透鏡5，要調(diào)節(jié)矩形光柵4定位在傅立葉變換透鏡5的前焦平面上。矩形光柵4，設(shè)計(jì)一組不同空間分辨率的矩形光柵；傅立葉變換透鏡5，設(shè)計(jì)不同F(xiàn)數(shù)的一組與不同空間分辨率的矩形光柵配合使用。
光學(xué)空間濾波器6，調(diào)節(jié)定位在傅立葉變換透鏡5的后焦平面上。機(jī)械式光學(xué)空間濾波器的工作方式如圖4所示，調(diào)節(jié)光學(xué)空間濾波器的上板13V字光闌15相對(duì)于底板14一字光闌16上下滑動(dòng)選擇基頻。調(diào)節(jié)光學(xué)空間濾波器可在基頻的基礎(chǔ)上產(chǎn)生二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像，基頻對(duì)應(yīng)于一級(jí)衍射光，其它倍頻對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的高級(jí)次衍射光；液晶光閥式的工作方式相同，區(qū)別是需要多路選通控制電路，對(duì)相應(yīng)級(jí)次的衍射光進(jìn)行通斷控制。
變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)7，同時(shí)光學(xué)空間濾波器6要定位在變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)7的前焦面附近，其F數(shù)要大于傅立葉變換透鏡5的F數(shù)，并保證有用級(jí)次的衍射光有效通過(guò)。其作用是改變輸入待測(cè)鏡頭正弦光強(qiáng)像的空間頻率，并結(jié)合不同空間分辨率的矩形光柵4、光學(xué)空間濾波器6，共同調(diào)節(jié)輸入到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)正弦光強(qiáng)像的空間頻率，在較寬的空間頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的空間頻率掃描。
限制性光欄8，限制性光欄的作用是容易比較面陣CCD采集的正弦光強(qiáng)位相的移動(dòng)，位于正弦光強(qiáng)像輸入面，微調(diào)限制性光欄8，改變輸入的正弦光強(qiáng)像的初位相。
待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9，前焦平面位于限制性光欄8的位置。
變倍放大系統(tǒng)10，定位在待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9的后焦平面位置，對(duì)待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9輸出的正弦光強(qiáng)像進(jìn)行放大。
面陣CCD11，采集經(jīng)由變倍放大系統(tǒng)10放大的待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9輸出的正弦光強(qiáng)像。面陣CCD11采集的兩次數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)12。
計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)12，配備8bit的圖像采集卡及灰度處理軟件。對(duì)由面陣CCD11采集的兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比較有待冊(cè)光學(xué)系統(tǒng)輸入和輸出的正弦光強(qiáng)像振幅衰減和位相移動(dòng)，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在基頻下的光學(xué)傳遞函數(shù)。
調(diào)節(jié)變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)7、光學(xué)空間濾波器6、并結(jié)合不同空間分辨率的矩形光柵4，改變輸入待測(cè)鏡頭正弦光強(qiáng)像的空間頻率，在寬的空間頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的空間頻率掃描。處理面陣CCD11采集的數(shù)據(jù)，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在其它頻率下的光學(xué)傳遞函數(shù)。
變換不同波長(zhǎng)的激光器，在使用的光譜波段，測(cè)量出各波長(zhǎng)的光學(xué)傳遞函數(shù)，然后進(jìn)行光譜加權(quán)平均得到多色光傳遞函數(shù)。
權(quán)利要求
1.光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量裝置，包括矩形光柵(4)、變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)(7)、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(9)、變倍放大系統(tǒng)(10)、面陣CCD(11)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(12)，其特征在于還包括激光器(1)、光束整形系統(tǒng)(2)、減光板(3)傅立葉變換透鏡(5)、光學(xué)空間濾波器(6)、限制性光欄(8)，光束整形系統(tǒng)(2)位于激光器(1)的后面，對(duì)激光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直、整形；減光板(3)位于光束整形系統(tǒng)(2)的后面；矩形光柵(4)位于減光板(3)的后面，使矩形光柵(4)定位在傅立葉變換透鏡(5)的前焦平面上；光學(xué)空間濾波器(6)位于傅立葉變換透鏡(5)的后焦平面上，并定位在變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)(7)的前焦平面上；限制性光欄(8)定位在變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)(7)的后焦平面上；待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(9)的前焦平面定位在限制性光欄(8)的附近。
2.光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于測(cè)量方法如下a.首先調(diào)整由激光器、光束整形系統(tǒng)、減光板、矩形光柵、傅立葉變換透鏡、光學(xué)空間濾波器、變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)、限制性光欄、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、變倍放大系統(tǒng)、面陣CCD組成整個(gè)光路系統(tǒng)的同軸等高，再將待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)；b.調(diào)節(jié)光學(xué)空間濾波器上板的V字光闌相對(duì)于底板的一字光闌上下滑動(dòng)選擇基頻，并調(diào)整減光板使基頻同二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像的光強(qiáng)接近，調(diào)節(jié)變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)放大倍率為一，調(diào)節(jié)變倍放大系統(tǒng)適應(yīng)面陣CCD的圖像采集，利用變倍放大系統(tǒng)及面陣CCD采集待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)輸入的正弦光強(qiáng)像，再將輸入的正弦光強(qiáng)像輸入到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)；再利用變倍放大系統(tǒng)及面陣CCD采集待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)輸出的正弦光強(qiáng)像，再將輸出的正弦光強(qiáng)像輸入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。比較輸入和輸出到面陣CCD的正弦光強(qiáng)像振幅衰減和位相移動(dòng)，即可得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在基頻下的光學(xué)傳遞函數(shù)；c.微調(diào)限制性光欄，改變初位相，其它如步驟b，可得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在基頻下不同初位相下的光學(xué)傳遞函數(shù)；d.去掉減光板，調(diào)節(jié)光學(xué)空間濾波器產(chǎn)生二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像輸入，調(diào)節(jié)變倍放大系統(tǒng)適應(yīng)面陣CCD的圖像采集，其它如步驟b、c，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在二倍頻、三倍頻的空間頻率下的光學(xué)傳遞函數(shù)；e.更換不同空間頻率的矩形光柵，以及調(diào)節(jié)變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)和光學(xué)空間濾波器對(duì)需要檢測(cè)的空間頻率進(jìn)行掃描，調(diào)節(jié)變倍放大系統(tǒng)適應(yīng)面陣CCD的圖像采集，其它如步驟b、c，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在需要檢測(cè)的空間頻率下的光學(xué)傳遞函數(shù)；f.在使用的光譜波段，變換不同波長(zhǎng)的激光器，再按照b、c、d、e步驟測(cè)量各波長(zhǎng)的光學(xué)傳遞函數(shù)，然后進(jìn)行光譜加權(quán)平均得到多色光傳遞函數(shù)，則完成了光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于光學(xué)空間濾波器(6)包括上板(13)和底板(14)，上板(13)與底板(14)疊放在一起，在上板(13)本體上制備有V字光闌(15)，在底板(14)本體上制備有一字光闌(16)，V字光闌(15)與一字光闌(16)相對(duì)放置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于光學(xué)空間濾波器(6)可采用液晶光閥式，利用多路選通控制電路，控制相應(yīng)級(jí)次的衍射光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于調(diào)節(jié)減光板(3)，使基頻同二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像的光強(qiáng)接近。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳遞函數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于微調(diào)限制性光欄(8)，改變輸入的正弦光強(qiáng)像的初位相。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用光學(xué)空間濾波器，進(jìn)行光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量的裝置，包括激光器1、光束整形系統(tǒng)2、減光板3、矩形光柵4、傅立葉變換透鏡5、光學(xué)空間濾波器6、變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)7、限制性光欄8、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)9、變倍放大系統(tǒng)10、面陣CCD11、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)12。方法是調(diào)節(jié)光學(xué)空間濾波器，在基頻正弦光強(qiáng)像的基礎(chǔ)上產(chǎn)生二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像，調(diào)整減光板使基頻同二倍頻、三倍頻的正弦光強(qiáng)像的光強(qiáng)接近，比較輸入和輸出到面陣CCD的正弦光強(qiáng)像振幅衰減和位相移動(dòng)，得到光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量值，因此避免制作正弦光柵的困難；采用激光光源，提高了光度效率；數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)單；各種光學(xué)元件均采用常用器件，使制作容易，可在實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單配置，亦可批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01M11/02GK1693866SQ20051001679
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者李宏升, 禹秉熙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所