基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法，包括：在满足采样定理的条件下，使用相机采集星点像斑图像；对采集的星点像斑图像形状进行分析，提取星点像斑图像的形状信息，并判定该星点像斑的成像面位置；将提取的上述形状信息根据不同的成像面位置代入对应的解析公式，估算得出光学系统所存在的波前像差。本发明专利技术能够在提高波前检测效率与检测范围的同时，大大降低对数值迭代的依赖，从而保证求解结果的准确性。

Estimation of wavefront aberration based on the shape characteristics of star spots

【技术实现步骤摘要】
基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法
本专利技术涉及一种基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法。
技术介绍
空间大口径离轴天文望远是未来天文望远镜的发展趋势，如果望远镜系统中存在镜面面型误差或者各光学元件位姿失调，望远镜的成像质量将达不到设计要求。通过技术手段检测系统的波前像差是进行系统失调校正的重要前提。波前检测作为整个主动光学系统的输入，波前检测结果准确与否事关主动光学校正的成败。然而，现有的波前检测算法大都基于数值迭代，求解过程不确定性大，最终结果依赖于初值选取(实际中一般以零点为迭代初始点)。如此，导致波前检测存在一定的失败风险。并且，当失调量较大时，波前像差也相应较大，此时的数值迭代方法不仅迭代时间增加，求解失败概率也会大大增加。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法。本专利技术提供一种基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法，该方法包括如下步骤：a.在满足采样定理的条件下，使用相机采集星点像斑图像；b.对采集的星点像斑图像形状进行分析，提取星点像斑图像的形状信息，并判定该星点像斑的成像面位置；c.将提取的上述形状信息根据不同的成像面位置代入对应的解析公式，估算得出光学系统所存在的波前像差。其中，所述的步骤a包括：离轴系统中失调量产生的像散与彗差存在的内在关系为：其中，代表像散的幅值，代表彗差的幅值，代表相对光瞳离轴量大小(光瞳离轴量与光瞳半径的比值)，θs代表光瞳离轴向量的方向，φAST与φComa分别代表像散与彗差的方向。所述的步骤a还包括：星点像斑长轴与短轴表示为：其中，Lmax表示椭圆的长轴长度、Lmin表示椭圆的短轴长度。所述的步骤a还包括：星点像斑离焦量与像散系数的量值为：由上式可知，当时，离焦系数取决于长轴短轴之差，像散系数取决于短轴与长轴之和；反之，离焦系数取决于长轴短轴之和，而像散系数取决于长轴与短轴之差，离焦量正负号取决于椭圆长轴与像散方向的关系。所述的步骤a还包括：星点像斑像散的两分量分别为：其中，所述的步骤还a包括：根据像散系数进行估算得到彗差系数：所述的步骤b包括：步骤b1，根据采集的星点像斑图像形状，判定所述星点像斑的成像面与子午焦面、弧矢焦面之间的相对位置关系；步骤b2，根据彗差与像散之间的内在关系，判定成像面与零离焦量位置之间的相对位置关系。所述的步骤b1包括：当成像面位于子午焦面、弧矢焦面之外时，滤波之后轮廓边界点像素与其几何中心的距离具有两个极大值两个极小值；当成像面位于子午焦面、弧矢焦面之间时，滤波之后轮廓边界点像素与其几何中心的距离具有四个极大值四个极小值。所述的步骤b2包括：以重心方向估计彗差方向，根据彗差与像散之间的内在关系估计像散方向：若像散方向与长轴方向接近垂直，则离焦量为负；若像散方向与长轴方向接近相同，则离焦量为正值。所述的步骤c包括：采用如下公式确定成像面位置、提取椭圆的各项参数，包括以下4种情形：情形1：情形2：情形3：情形4：其中，λ为系统光源中心波长，F#为光学系统F数；根据对应于各情形的解算公式，结合星点像斑形状特征，解算离焦、0°像散、45°像散、0°彗差、90°彗差五项初级像差，并据此估计波前像差。本专利技术能够具体问题具体分析，充分利用失调离轴系统像差特性以及其他先验条件，在提高波前检测效率与检测范围(大失调量导致的大像差)的同时，大大降低对数值迭代的依赖，从而保证求解结果的准确性。其计算速度快，数值计算时间为毫秒量级，操作简单，解析方法不易迭代出错。附图说明图1为本专利技术基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的四种情况对应实际光学系统成像光束的位置示意图；图3为本专利技术实施例提供的星点像斑形状变化示意图；图4为本专利技术实施例提供的星点像斑的成像面与子午焦面、弧矢焦面不同位置关系时星点像斑形状示意图；图5为本专利技术实施例提供的轮廓边界像素点坐标与几何中心之间距离的示意图；图6为本专利技术实施例提供的根据彗差与像散之间的内在关系估计像散方向的示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。参阅图1所示，是本专利技术基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法较佳实施例的作业流程图。步骤S1，在满足采样定理的条件下，使用相机采集星点像斑图像。具体而言：离轴天文望远镜中存在三类失调量类型：侧向失调量、轴向失调量以及旋转失调量。其中，所述侧向失调量包括：偏心失调量、倾斜失调量；所述轴向失调量包括：镜面间隔误差；所述旋转失调量包括：相对于镜面几何中心的自旋。分别针对离轴系统存在不同失调量类型时的像差特性进行研究，得到失调量产生的像散与彗差存在的内在关系，如下所示：其中，代表像散的幅值，代表彗差的幅值，代表相对光瞳离轴量大小(光瞳离轴量与光瞳半径的比值)，θs代表光瞳离轴向量的方向，φAST与φComa分别代表像散与彗差的方向。由公式(1)可得到两方面推论：一方面，失调产生彗差的量值与像散相比要小得多，彗差并不是影响星点像斑形状的主要类型；另一方面，根据公式(1)的关系能够利用像散值估计彗差的值。根据以上分析，彗差并非为影响点斑形状的主要因素，此处将其省略，只考虑离焦项与像散项。此时，波像差表达式可以简写为：ΔW(ρ,φ)≈C4(2ρ2-1)+C5ρ2cos(2φ)+C6sin(2φ).(2)上式可以改写为：其中：φ'＝φ-θAST，该操作可以看做一个旋转坐标变换。在直角坐标系中，有如下表示：在两个相互垂直的坐标轴方向上，光线在像面的横向几何像差为：其中，R为标准球面波的曲率半径，h为光瞳半径。将公式(4)带入公式(5)可得式中，F#代表F数。星点像斑在像面所占据的实际区域可以近似由边缘光线在像面上的横向几何像差决定。对于边缘光线，根据定义，将公式(6)带入x'2+y'2＝1可得：该式即为由边缘光线横向几何像差所表达的星点像斑在像面所占区域。容易看出，该表达式为一椭圆方程。值得注意的是，该椭圆是在X'OY'坐标系下的标准椭圆，而在XOY坐标系下，其为一斜椭圆。椭圆长轴方向与X轴的夹角为θAST。当椭圆像斑退化为一条线段(椭圆短轴趋于无穷小的特殊情形)。在求解像差系数过程中，所利用的形状特征主要包括：椭圆的长轴长度Lmax、短轴长度Lmin以及长轴方位角θMA。根据公式(7)，星点像斑长轴与短轴表示为：利用该公式得到离焦与像散系数的量值为：从公式(9)可以看出，当时，离焦系数取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/na.在满足采样定理的条件下，使用相机采集星点像斑图像；/nb.对采集的星点像斑图像形状进行分析，提取星点像斑图像的形状信息，并判定该星点像斑的成像面位置；/nc.将提取的上述形状信息根据不同的成像面位置代入对应的解析公式，估算得出光学系统所存在的波前像差。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于星点像斑形状特征的波前像差估算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a.在满足采样定理的条件下，使用相机采集星点像斑图像；
b.对采集的星点像斑图像形状进行分析，提取星点像斑图像的形状信息，并判定该星点像斑的成像面位置；
c.将提取的上述形状信息根据不同的成像面位置代入对应的解析公式，估算得出光学系统所存在的波前像差。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤a包括：
离轴系统中失调量产生的像散与彗差存在的内在关系为：



其中，代表像散的幅值，代表彗差的幅值，代表相对光瞳离轴量大小(光瞳离轴量与光瞳半径的比值)，θs代表光瞳离轴向量的方向，φAST与φComa分别代表像散与彗差的方向。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤还a包括：
星点像斑长轴与短轴表示为：



其中，Lmax表示椭圆的长轴长度、Lmin表示椭圆的短轴长度。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤还a包括：
星点像斑离焦量与像散系数的量值为：



由上式可知，当时，离焦系数取决于长轴短轴之差，像散系数取决于短轴与长轴之和；反之，离焦系数取决于长轴短轴之和，而像散系数取决于长轴与短轴之差，离焦量正负号取决于椭圆长轴与像散方向的关系。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤还a包括：
星点像斑像散的两分量分别为：



其中，





6.如权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：鞠国浩，姜凤义，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22