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0431-81702023
光學工程
子孔徑布局對拼接光學系統像質的影響

摘 要:由衍射理論模型出發,分析了子孔徑布局對光學系統點擴散函數的影響,從而進行傅里葉變換計算出其對光學系統光學傳遞函數的影響;并由光學設計軟件內嵌程序將子孔徑布局實際地加入到設計的光學系統中,分析各種不同子孔徑布局對光學系統像質的影響.通過由衍射理論出發的計算結果與設計軟件內嵌程序的模擬仿真結果的對比,軟件內嵌程序的模擬仿真結果得以驗證.針對子孔徑布局對具有相同相對孔徑光學系統的影響進行了仿真計算,對與子孔徑拼接原理樣機具有相同相對孔徑和中心遮攔比的反射式光學系統,針對相同孔徑布局對其光學傳遞函數的影響進行了實際測試,通過仿真計算結果與測試結果的對比分析表明,孔徑布局對具有相同相對孔徑拼接光學系統的光學傳遞函數影響趨勢一致的結論,從而為子孔徑拼接原理樣機研究的實用性及像質檢測提供了理論依據.

關鍵詞:拼接光學系統;子孔徑布局;光學傳遞函數;相對孔徑

0 引言

      拼接光學系統的成像性能很大程度上取決于其子孔徑布局的形式,所以在拼接光學系統中準確分析孔徑布局對像質影響是很重要的[1].

      江月松[2]分析了子孔徑尺寸效應,陳海亭[3]針對 二 維 圓 周 陣 列 的 優 化 排 列 進 行 了 研 究,Tchermiavski等[4]根據系統光學傳遞函數的均方誤差最小化準則研究了子孔徑的空間排列方式,鄧健等[5]研究了鏡面面形誤差與失調誤差對系統的影響,陳旗海等[6]分析了子孔徑像差對拼接系統像質的影響.

       本文分別從理論計算與軟件模擬仿真兩方面對子孔徑布局對拼接光學系統像質的影響進行了分析.首先,由衍射理論出發,分析子孔徑布局對光學系統點擴散函數的影響,對點擴散函數進行傅里葉變換計算出其光學傳遞函數;其次,由光學設計軟件內嵌程序將子孔徑布局實際地加入到設計的光學系統中,可以更加實際地分析各種不同子孔徑布局對光學系統像質的具體影響,避免了依靠經驗判斷的主觀性以及理論計算與設計過程脫節等問題.本文還針對子孔徑布局對具有相同相對孔徑光學系統的影響進行了模擬仿真及測試,結果表明,孔徑布局對具有相同相對孔徑光學系統的光學傳遞函數影響趨勢一致,從而為子孔徑拼接原理樣機的實用性及像質檢測提供了理論依據.

 

1 像質計算理論基礎

      設拼接光學系統的子孔徑為圓形結構,子孔徑直徑為犱,子孔徑數目為 犿,拼接光學系統的點擴散函數為

2 軟件內嵌程序對子孔徑布局影響的分析

       將子孔徑布局實際地加入到設計的光學系統中,由光學設計軟件內嵌程序分析各種不同子孔徑布局對光學系統成像質量的影響,可以使得孔徑布局的確定融入于設計過程中.在保證光學系統像質前提下為子孔徑拼接光學系統原理樣機確定合理的孔徑布局.

       應用式(2)數學模型計算與應用軟件內嵌程序模擬仿真得出的點擴散函數與光學傳遞函數的一維分布、二維分布分別如圖1.

 

 

      通過計算結果與模擬仿真結果的對比,應用內嵌程序的仿真結果與理論計算結果是吻合的.通過將各種不同的孔徑布局加入到所設計的光學系統中更加實際地分析孔徑布局對像質的影響.

3 子孔徑布局對具有相同相對孔徑光學系統像質影響的分析

      拼接光學系統的實際應用價值在于實現超大口徑系統的加工,在真正進行超大口徑系統加工生產之前需要從原理上驗證其可行性,所以對于低成本的小型模擬拼接光學系統的研究是很重要的,而模擬拼接光學系統的光學參量需要滿足能夠更加真實地反映子孔徑布局對拼接光學系統像質的影響.

      通過分析子孔徑布局對具有相同相對孔徑光學系統像質的影響,從而為小口徑模擬子孔徑拼接光學系統的實用性提供理論依據.

      針對具有相同相對孔徑的口徑分別為D=125mm與 D=500mm,焦距分別為f′=1000mm 與f′=4000mm 的具有相同中心遮攔比的反射式光學系統進行對比,考察具有如圖2相同形式子孔徑布局的像質影響分析對比情況.

 

      由圖3(a)與(b)的對比,證明了子孔徑布局對具有相同相對孔徑的光學系統像質的影響趨勢是一致的,當設計、加工結果與衍射極限的接近程度越好,所模擬仿真出的結果就越可靠,從而為采用具有相同相對孔徑的小口徑模擬拼接光學系統進行原理實 驗提供了理論依據.小口徑模擬拼接光學系統不但可以節省成本,而且其光學傳遞函數可以通過實際測量得出,通過測量結果與模擬仿真結果的對比進一步驗證設計結果的可靠性.

 

4 孔徑布局對光學系統像質影響的測試

      由于拼接光學系統口徑較大,所以直接測量其像質評價指標光學傳遞函數較為困難,通常采用對點擴散函數進行傅里葉變換計算光學傳遞函數,但是還是不夠直觀,所以需要對模擬拼接光學系統的光學傳遞函數進行實際測量,通過測量的光學傳遞函數結果與仿真的孔徑布局影響的光學傳遞函數結果對比,驗證了模擬仿真結果的正確性.

      應用由美國 Optikos公司引入的光學傳遞函數測量儀,針 對 具 有 如 圖 1 的 孔 徑 布 局 對 相 對 孔 徑(D/f′=1/8)D=125mm 的具有中心遮攔的反射式光學系統像質的影響進行了測試,測試裝置見圖4,結果見圖5.

       圖5為對與子孔徑原理樣機具有相同相對孔徑,相同孔徑布局的拼接光學系統測試得到的光學傳遞函數曲線,通過與圖3(a)光學設計軟件模擬的孔徑布局對光學傳遞函數影響曲線的對比,表明雖然實際加工裝調后的系統與衍射極限略有偏差,但是從中仍然可以看到子孔徑布局對光學系統傳遞函數的影響趨勢與軟件模擬是一致的.由此為研究子孔徑拼接原理樣機的孔徑布局提供了更為有力的理論依據.

 

5 結論

      針對子孔徑布局對光學系統光學傳遞函數的影響進行了計算,并由光學設計軟件內嵌程序將子孔徑布局實際地加入到設計的光學系統中進行了模擬仿真,通過仿真與計算結果的對比驗證了軟件內嵌程序的正確性.并針對子孔徑布局對具有相同相對孔徑光學系統的影響進行了討論,分別從仿真計算與測試結果上驗證了相同孔徑布局形式對具有相同相對孔徑的拼接光學系統的光學傳遞函數影響趨勢一致的結論,從而為子孔徑拼接原理樣機的實用性及像質檢測提供了依據.

 


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