正弦光强靶标光学信号发生方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种正弦光强靶标光学信号发生方法及系统，为解决现有技术不利于大面积测量问题，该系统包括沿光路依次配置的激光器、光束整形系统、矩形光栅或正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、前位全反射镜、后位全反射镜；该方法是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率正弦光强靶标输出：在第一级精密丝杠和精密导轨上依次配置的激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头输出正弦光强靶标图像，在第二级精密丝杠和精密导轨上依次配置的前位全反射镜、后位全反射镜向外输出正弦光强靶标图像或者向外进行正弦光强靶标图像视场扫描。其具有测量精度高，利于大面积测量的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学信号发生方法，特别是涉及一种正弦光强靶标光学信号发生方法及系统。
技术介绍
现代光学仪器测量及测试，生物视觉认知测量，光学立体三维测量，一般需要正弦光强靶标。常使用空间频率固定的面积型或密度型的正弦光栅，测试或测量中改变正弦光栅空间频率相对比较麻烦，需要经常更换不同空间频率的正弦光栅；或者利用菲涅尔双镜以及其他利用双光束干涉产生正弦光强靶标等方法；或者利用计算机产生正弦光强靶标，使用DLP投影仪输出；或者利用莫尔条纹产生的三角波近似；或者利用矩形光栅投影的矩形波图形，再计算分析。为了频率填充，频繁的更换正弦光栅，工作繁琐性增加的同时，带来测量精度以及重复性精度不容易控制等问题。利用菲涅尔双镜以及其他双光束干涉方法结合变倍率镜头，能够解决频率填充问题；但是，在利用高空间频率测量时，由于背景辐射的持续增强，高空间频率的正弦光强靶标对比度迅速降低。利用计算机产生正弦光强靶标，使用DLP投影仪输出正弦光强靶标，也能够解决频率填充问题；但是，在利用高空间频率测量时，DLP投影仪自身的像素栅线结构，影响高空间频率正弦图像靶标的精度。同时，由于DLP投影仪面向大众使用的通用光学设计，在不同投影距离上，像差差别较大，像场曲率变化较大。随之带来的数据修正工作量较大，精度及重复性精度不容易控制。专利号200510016796.0专利是最相近专利。该专利中，有四项关键技术未能解决。第一，对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性，单纯利用矩形光栅的制作误差，实现的二级光谱输出，不具有可控性；第二，占有输入能量70％以上的零级频谱不能有效利用，且只能降低输出正弦靶标图像的对比度；第三，傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计，没有针对单一波长光的针对性设计，输出的正弦靶标图像像场像差较大，是测量精度提高的一大障碍；第四，平行光输出，限制了测量的视场范围，不利于大面积测量。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种正弦光强靶标光学信号发生方法，本专利技术目的还在于提供用于实现该方法的光学信号发生系统。本专利技术能够解决
技术介绍
中矩形光栅的精确制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限等问题。为实现上述目的，本专利技术正弦光强靶标光学信号发生方法是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率正弦光强靶标输出：在第一级精密丝杠和精密导轨上依次配置的激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头输出正弦光强靶标图像，在第二级精密丝杠和精密导轨上依次配置的前位全反射镜、后位全反射镜向外输出正弦光强靶标图像或者向外进行正弦光强靶标图像视场扫描。本专利技术中矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可。具有测量精度高，利于大面积测量的优点。作为优化，光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；若采用平行光输出，所述前位全反射镜和后位全反射镜改变光束以垂直方向输出；若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。作为优化，使用占空比精确控制的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；若为透射系统测量，正弦光强靶标图像经由后位全反射镜进入待测系统出射后，进入高清高速相机；待测系统及高清高速相机均位于第三级精密丝杠和精密导轨上；若为反射系统测量，正弦光强靶标图像经由后位全反射镜进入待测系统反射后，进入高清高速相机；待测系统置于第三级精密丝杠和精密导轨上；高清高速相机置于第二三间
级精密丝杠和精密导轨上，根据反射光束出射方向，调整并设置第二三间级精密丝杠和精密导轨方向和位置。本专利技术是利用光学空间滤波和光学傅里叶变换原理，产生正弦光强靶标输出的方法，该方法如下系统实现，即包括激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、第一级精密丝杠、精密导轨、全反射镜、全反射镜、第二级精密丝杠、精密导轨、待测系统、第三级精密丝杠、精密导轨、高清高速相机、第二三间级精密丝杠、精密导轨、计算机及软件处理系统。第三级精密丝杠和精密导轨供透射系统测量使用。第二三间级精密丝杠和精密导轨供反射系统测量使用。作为优化，所述高清高速相机连接带软件处理系统的计算机，对输出的变形条纹进行视场拼接，和对扫描结果综合整体分析。作为优化，测试方法如下：透射系统测试：a.首先调整激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头等器件置于第一级精密丝杠和精密导轨上；前位全反射镜、后位全反射镜置于第二级精密丝杠和精密导轨上；待测系统、高清高速相机置于第三级精密丝杠和精密导轨上；整个光路系统均按照同轴等高原则，安装调试与高清高速相机相连的计算机及软件处理系统；b.激光器选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及补偿，及单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头；c.光束整形系统采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；d.矩形光栅要求占空比不等于1∶1，便利使用1级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可；e.单色傅立叶变换透镜和单色变倍率镜头均需配合激光器的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；f.频谱选择器包括电、磁或光寻址空间光调制器、数字式微反射镜器件、机械式小孔均可，以方便选择1级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光
栅，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；g.波片配合激光器的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进1级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；h.第一级精密丝杠和精密导轨调整及固定激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头等器件；i.前位全反射镜和后位全反射镜用于折转光路，通过移动后位全反射镜实现大视场扫描；j.调整第二级精密丝杠和精密导轨上的前位固定全反射镜、后位全反射镜便于实现稳定的大视场扫描；k.调整第三级精密丝杠和精密导轨上的固定待测系统和高清高速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正弦光强靶标光学信号发生方法，其特征在于是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率正弦光强靶标输出：在第一级精密丝杠和精密导轨上依次配置的激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头输出正弦光强靶标图像，在第二级精密丝杠和精密导轨上依次配置的前位全反射镜、后位全反射镜向外输出正弦光强靶标图像或者向外进行正弦光强靶标图像视场扫描。

【技术特征摘要】
1.一种正弦光强靶标光学信号发生方法，其特征在于是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率正弦光强靶标输出：在第一级精密丝杠和精密导轨上依次配置的激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头输出正弦光强靶标图像，在第二级精密丝杠和精密导轨上依次配置的前位全反射镜、后位全反射镜向外输出正弦光强靶标图像或者向外进行正弦光强靶标图像视场扫描。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；若采用平行光输出，所述前位全反射镜和后位全反射镜改变光束以垂直方向输出；若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于使用占空比精确控制的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；若为透射系统测量，正弦光强靶标图像经由后位全反射镜进入待测系统出射后，进入高清高速相机；待测系统及高清高速相机均位于第三级精密丝杠和精密导轨上；若为反射系统测量，正弦光强靶标图像经由后位全反射镜进入待测系统反射后，进入高清高速相机；待测系统置于第三级精密丝杠和精密导轨上；高清高速相机置于第二三间级精密丝杠和精密导轨上，根据反射光束出射方向，调整并设置第二三间级精密丝杠和精密导轨方向和位置。4.根据权利要求3所述方法，其特征在于所述高清高速相机连接带软件处理系统的计算机，对输出的变形条纹进行视场拼接，和对扫描结果综合整体分析。5.根据权利要求1-4任一所述方法，其特征在于测试方法如下：透射系统测试：a.首先调整激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头等器件置于第一级精密丝杠和精密导轨上；前位全反射镜、后位全反射镜置于第二精密丝杠和精密导轨上；待测系统、高清高速相机置于第三精密丝杠和精密导轨上；整个光路系统均按照同轴等高原则，安装调试与高清高速相机相连的计算机及软件处理系统；b.激光器选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及补偿，及单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头；c.光束整形系统采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；d.矩形光栅要求占空比不等于1∶1，便利使用1级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可；e.单色傅立叶变换透镜和单色变倍率镜头均需配合激光器的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；f.频谱选择器包括电、磁或光寻址空间光调制器、数字式微反射镜器件、机械式小孔均可，以方便选择1级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；g.波片配合激光器的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择1级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进1级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；h.第一级精密丝杠和精密导轨调整及固定激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头等器件；i.前位全反射镜和后位全反射镜用于折转光路，通过移动后位全反射镜实现大视场扫描；j.调整第二级精密丝杠和精密导轨上的前位固定全反射镜、后位全反射镜便于实现稳定的大视场扫描；k.调整第三级精密丝杠和精密导轨上的固定待测系统和高清高速相机；l.高清高速相机采集经定待测系统输出的图形靶标，并传输至计算机及软件处理系统；m.计算机及软件处理系统接收高清高速相机采集输出的图形靶标，并进行相应的图像计算处理，输出计算结果，完成光学系统测试；反射系统测试：n.首先调整激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头等器件置于第一级精密丝杠和精密导轨上；前位全反射镜、后位全反射镜置于第二级精密丝杠和精密导轨上；待测系统置于第三级精密丝杠和精密导轨上；高清高速相机置于第二三间级精密丝杠和精密导轨上，整个光路系统均按照同轴等高原则；安装调试与高清高速相机相连的计算机及软件处理系统；O.第二三间级精密丝杠和精密导轨上只调整及固定高清高速相机；p.第三级精密丝杠和精密导轨上只调整及固定待测系统；q.其他同1.透射系统测试的a至j及l和m步骤完成光学系统测试。6.一种用于实现权利要求1所述方法的信号发生系统，其特征在于是进行空间分频、合成，产生任意空间频率正弦光强靶标输出的系...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏升，李延娥，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37