一种相机全系统的波像差检测系统及检测方法

1.本发明涉及光学成像镜头测量领域，具体而言，涉及一种相机全系统的波像差检测系统及检测方法。


背景技术：

2.光学成像是人类获取外界信息的重要手段，光学成像系统已经成为现代工业生产、日常生活、科学研究等活动中不可或缺的工具，例如摄像头、数码相机、望远镜、显微镜、机器视觉系统等。一般而言，成像系统主要包含光源、成像镜头、探测器三部分，而成像镜头和探测器又往往组装在一起，构成相机系统。随着科技的发展和应用的不断拓展，人们对成像系统的成像质量要求越来越高，也对成像系统检测的精度和全面性提出更高的要求。其中波像差检测是一种高精度综合性检测方法。
3.波像差是指物点光波经过成像系统后的出射波面与理想波面之间的偏差，它是用衍射理论处理成像系统的缺陷检测问题，计算结果比传统的几何像差分析方法更加精确和全面。
4.波像差检测的主流手段包括干涉仪、shack-hartmann波前传感器、基于远场图像的方法等。干涉仪通过干涉图测量波前相位，具有灵敏度高、精度高的优点，但是需要复杂昂贵的光学系统和器件，而且对测量环境要求很高。shack-hartmann波前传感器通过微透镜阵列分割波前测量波前相位，测量迅速、抗干扰能力强，但是测量的精度与动态范围相互制约，而且空间分辨率不高。基于远场图像的方法是指通过对待测波前在后续光路的某个或某些特征面的光强分布，逆向求解得到波前分布。基于远场图像的方法不需要额外增加复杂昂贵的器件，结构简单，易于实现，而且对环境要求较低。
5.相位差波前传感是一种代表性的基于远场图像的检测方法。它利用对同一目标所成的两幅或者多幅图像恢复波前相位，不同图像的成像通道中增加了不同的并准确知道的相位差，使不同成像通道的点扩散函数产生非线性，从而加强约束条件，改善解的唯一性。相位差一般采用离焦差异，通过某些方法获取焦面清晰和离焦模糊图像。例如采用平移机构调整探测器在光轴方向的位置，产生不同的离焦量，但是对探测器的平移精度要求很高，而且探测器移动方向和光轴不可避免存在夹角，引起测量误差。又例如采用分光镜和若干个探测器同时获取两幅或者多幅不同离焦图像，但是硬件成本随探测器个数成倍增加，而且空间布局臃肿。
6.然而，无论采取何种方法，目前的波像差检测方法的对象主要是光学镜头或者透镜，难以实现相机全系统的检测。例如，干涉仪的分波前或者分振幅干涉结构限制了其在相机系统的检测应用；shack-hartmann波前传感器自身带有探测器，它无法与待测相机兼容；相位差法需要精确移动探测器的位置，或者采用多个探测器，这对于一个装配完好的相机系统而言都是难以实现的。但是，相机全系统的检测又是十分有必要的。光学镜头与探测器的装配过程中，可能会产生轴向偏差、倾斜、镜片挤压变形等因素导致的各种像差，这是独立于镜头的像差外新产生的，必须通过对相机全系统进行检测才能被准确评估。
7.所以，亟需一种能够检测相机全系统波像差的方案，解决上述问题。


技术实现要素：

8.基于现有技术存在的问题，本发明提供了一种相机全系统的波像差检测系统及检测方法。具体方案如下：
9.一种相机全系统的波像差检测系统，包括检测模块和分析模块，所述检测模块包括光源装置、单色装置和整形装置，各装置按预设顺序布置、且中心对准公共光轴；
10.所述分析模块用于根据待测相机的光学参数计算波长组合，以及采集并处理不同波长下的成像图像，结合成像波长、所述待测相机镜片的折射率以及所述检测模块的波前计算所述待测相机的波像差；
11.所述光源装置用于输出复色光，在可见光波段提供持续稳定的连续光谱输出；
12.所述单色装置用于对所述复色光进行分光处理，输出所述波长组合中各个波长对应的单色光；
13.所述整形装置用于对所述单色光进行波面整形，以获取均匀平行光束，所述波面整形包括空间滤波、准直扩束和光束直径调整；
14.所述待测相机的光轴对准所述公共光轴，用于接收所述均匀平行光束并进行成像，以得到不同波长下的成像图像。
15.在一个具体实施例中，所述检测模块还包括调整装置，所述待测相机位于所述调整装置上；所述调整装置用于调节所述待测相机的位置和姿态，使所述待测相机的成像镜头对准所述检测模块的出光口，且所述待测相机的光轴对准所述公共光轴。
16.在一个具体实施例中，所述光源装置为宽谱复色光源，包括白光led、卤素灯、氘灯、氙灯、钨灯。
17.在一个具体实施例中，所述单色装置包括第一透镜、滤光片转轮和第二透镜，所述滤光片转轮上设置有滤光片，所述第一透镜和所述第二透镜的中心对准所述公共光轴；所述滤光片转轮位于所述第一透镜和所述第二透镜之间，且存在滤光片对准所述公共光轴，所述光源装置的发光点位于所述第一透镜的前焦点处；
18.所述第一透镜用于将所述复色光由发散光准直为近似平行光的第一平行光；所述滤光片转轮上设置有多个滤光片，用于滤除所述第一平行光中的预设光谱成分，得到呈窄带光谱的单色光；所述第二透镜用于将所述单色光会聚到所述第二透镜的后焦点处。
19.在一个具体实施例中，所述整形装置包括针孔、可变光阑和第三透镜，且所述针孔、所述可变光阑和所述第三透镜的中心对准所述公共光轴；所述可变光阑位于所述针孔和所述第三透镜之间；所述针孔位于所述第二透镜的后焦点处，用于对所述第二透镜会聚的单色光进行空间滤波，得到球面光波；所述针孔位于所述第三透镜的前焦点处，所述第三透镜用于将所述球面光波准直为均匀分布的平行光束，得到均匀平行光束；所述可变光阑用于通过调节光阑的大小控制所述均匀平行光束的光束直径。
20.在一个具体实施例中，所述滤光片转轮包括转盘和不同波长的滤光片；
21.所述转盘上设置有沿圆周均匀分布、且贯穿所述转盘的开孔，所述滤光片覆盖在所述开孔上，以使所述转盘转动时切换不同波长的滤光片、且切换后的滤光片的中心对准所述公共光轴。
22.在一个具体实施例中，所述单色装置包括第一狭缝、第一反射镜、凹面准直镜、平面反射光栅、凹面成像镜、第二反射镜和第二狭缝；所述第一狭缝为长条细狭缝，位于所述凹面准直镜的前焦点处，用于将所述复色光由发散光波转换为长条细发散光；所述第一反射镜用于将所述第一狭缝射出的长条细发散光反射到所述凹面准直镜；所述凹面准直镜用于将所述长条细发散光准直为近似平行光的第二平行光，并将所述第二平行光照射到所述平面反射光栅处；所述平面反射光栅能够将不同波长的光以不同的反射角度射出，用于将所述第二平行光进行色散分光并反射到所述凹面成像镜中；所述凹面成像镜用于会聚所述平面反射光栅射出的光，由于不同波长的光的反射角度不同，所述平面反射光栅射出的光会聚到所述凹面成像镜中的焦面的位置不同；所述第二狭缝位于所述凹面成像镜的焦面处，将通过所述第二狭缝的会聚光束作为所述单色装置输出的单色光。
23.在一个具体实施例中，所述第一狭缝和所述第二狭缝的狭缝方向相同，将所述第一狭缝的狭缝方向作为垂直分光平面方向；
24.所述平面反射光栅可围绕所述垂直分光平面方向旋转，以改变通过所述第二狭缝的单色光的波长。
25.在一个具体实施例中，所述整形装置包括第一整形透镜、整形针孔、整形可变光阑和第二整形透镜，各部分按照所述第一整形透镜、所述整形针孔、所述整形可变光阑和所述第二整形透镜的顺序布置、且中心对准所述公共光轴；
26.所述整形针孔所在平面和所述第二狭缝所在平面关于所述第一整形透镜互成成像共轭面；
27.所述第一整形透镜用于压缩所述单色光，并会聚到所述整形针孔处得到会聚光束；
28.所述整形针孔用于对所述会聚光束进行空间滤波，出射第一球面波；
29.所述整形针孔位于所述第二整形透镜的前焦点处，所述第二整形透镜用于将所述第一球面波准直为均匀分布的平行光束，得到均匀平行光束；
30.所述整形可变光阑位于所述整形针孔和所述第二整形透镜之间，用于通过调节光阑的大小控制所述均匀平行光束的直径。
31.在一个具体实施例中，所述分析模块具体包括：
32.根据所述待测相机的光学参数，计算波长组合，所述光学参数包括镜头在预设波长的焦距、出瞳直径、镜头的镜片材料折射率随波长变化的关系函数；采集所述波长组合中各个波长下的成像图像，并统一转化为灰度图像；
33.计算所述波长组合中每个波长的平均图像，并根据所述平均图像计算每个波长的归一化图像；在每个波长对应的归一化图像中，于预设位置截取预设像素大小的子图像，使成像光斑位于所述子图像的中心位置；
34.获取每个波长对应的成像点扩散函数，结合成像目标和所述子图像构建目标评价函数，所述成像点扩散函数中包括所述检测模块在每个波长时的出射光束的光程差；
35.利用最优化估计算法，求解所述目标评价函数最小时、所述待测相机在所述预设波长下的第一光程差；根据所述第一光程差计算所述待测相机在所述预设波长下的成像波像差。
36.在一个具体实施例中，所述关系函数利用包括couchy色散公式、hartmann色散公
式、conrady色散公式或hetzberger色散公式进行求解。
37.在一个具体实施例中，还包括波前传感器；所述检测模块的出射光束的光程差获取包括：在所述检测模块的出光口设置所述波前传感器；
38.调整所述波前传感器的位置和姿态，使所述波前传感器的光轴对准所述公共光轴；通过所述波前传感器测量各个波长的波前相位，并根据波前相位计算光程差。
39.一种相机全系统的波像差检测方法，应用于上述所述的波像差检测系统中，包括如下：
40.调整待测相机的位置和姿态，使所述待测相机的镜头位于在所述检测模块的出光口处、且光轴与所述检测模块的公共光轴对齐；
41.分析模块根据待测相机的光学参数计算波长组合；
42.光源装置输出复色光，在可见光波段提供持续稳定的连续光谱输出；
43.单色装置对所述复色光进行处理，输出所述波长组合中各个波长对应的单色光；
44.整形装置对所述单色光进行波面整形，以获取均匀平行光束，所述波面整形包括空间滤波、准直扩束和光束直径调整；
45.所述待测相机接收所述均匀平行光束并进行成像，以得到不同波长下的成像图像；
46.所述分析模块采集并处理不同波长下的成像图像，结合成像波长、所述待测相机镜片的折射率以及所述检测模块的波前计算所述待测相机的波像差。
47.在一个具体实施例中，所述波像差的计算过程具体包括：
48.根据所述待测相机的光学参数，计算波长组合，所述光学参数包括镜头在预设波长的焦距、出瞳直径、镜头的镜片材料折射率随波长变化的关系函数；采集所述波长组合中各个波长下的成像图像，并统一转化为灰度图像；
49.计算所述波长组合中每个波长的平均图像，并根据所述平均图像计算每个波长的归一化图像；在每个波长对应的归一化图像中，于预设位置截取预设像素大小的子图像，使成像光斑位于所述子图像的中心位置；
50.获取每个波长对应的成像点扩散函数，结合成像目标和所述子图像构建目标评价函数，所述成像点扩散函数中包括所述检测模块在每个波长时的出射光束的光程差；
51.利用最优化估计算法，求解所述目标评价函数最小时、所述待测相机在所述预设波长下的第一光程差；根据所述第一光程差计算所述待测相机在所述预设波长下的成像波像差。
52.在一个具体实施例中，计算波长组合具体包括：
53.设所述待测相机的镜头在预设波长λ1的焦距为f，出瞳直径为d，镜头的镜片材料的折射率随波长变化的关系函数为n(λ)，在所述预设波长λ1下的折射率为n1，且存在n1＝n(λ1)；
54.存在n2和n3，且n2和n3满足：
[0055][0056]
[0057]
其中k为调节系数，优选地，0.8≤k≤1.2；
[0058]
根据所述关系函数n(λ)，求解λ2和λ3，使λ2和λ3满足n(λ2)＝n2，n(λ3)＝n3；
[0059]
所述波长组合为{λ1,λ2,λ3}。
[0060]
在一个具体实施例中，对所述波长组合{λ1,λ2,λ3}中的每个波长λm，采集n幅图像t
mn
，其中，m代表波长下标，m＝1,2,3，n代表代表图像序号，n＝1,2,3...n；
[0061]
对所述波长组合{λ1,λ2,λ3}中的每个波长，计算平均图像，所述平均图像的表达式为：
[0062][0063]
其中，tm表示平均图像，n表示每个波长对应的成像图像总数量；
[0064]
根据所述平均图像tm计算归一化图像：
[0065][0066]
其中，tm代表归一化图像，m代表波长下标，m＝1,2,3，(x,y)为图像像素坐标位置；
[0067]
对归一化图像t1，截取像素大小为m
×
m的子图像t
1s
，使成像光斑位于t
1s
的中心位置；
[0068]
对归一化图像t2和t3，分别在与归一化图像t1截取位置相同的位置截取子图像t
2s
和t
3s
。
[0069]
在一个具体实施例中，所述目标评价函数的表达式为：
[0070][0071]
其中，o为成像目标，*代表卷积运算，h1、h2、h3为成像点扩散函数，h1、h2、h3的表达式分别为：
[0072][0073][0074][0075]
其中，w
b1
、w
b2
、w
b3
分别为检测模块在波长为λ1、λ2、λ3时出射光束的光程差，p为相机系统的光瞳函数，f
·
代表傅里叶变换，w1为在波长为λ1时待测相机产生的光程差。
[0076]
在一个具体实施例中，利用最优化估计算法，求解所述目标评价函数的最小值，进而求解在所述目标评价函数最小时对应的第一光程差和第一成像目标；
[0077]
所述第一光程差和所述第一成像目标的原理公式如下：
[0078]
e(oe,w
1e
)＝min{e(o,w1)}
[0079]
其中，oe表示第一成像目标，w
1e
表示第一光程差；
[0080]
计算所述待测相机系统在波长λ1下的成像波像差：
[0081][0082]
其中，φ表示成像波像差，λ1表示预设波长。
[0083]
本发明具有如下有益效果：
[0084]
本发明提供了一种相机全系统的波像差检测系统及检测方法，解决了现有技术中无法进行相机全系统检测的弊端。通过拍摄若干幅引入已知相位差异的图像，利用图像和待测相机的光学参数构建目标评价函数，利用最优化估计算法求解待测波前相位。与干涉仪、波前传感器等传统方法相比，不需要额外增加复杂昂贵的器件，结构简单、易于实现，而且对操作环境要求较低。基于相位差波前传感原理，通过在光源端切换成像波长，实现不同成像通道的相位差异，进而实现相机全系统的波像差检测。相较于传统的调整探测器位置实现相位差异，本发明的方案更易实现，且检测精度高，抗环境干扰能力强。
[0085]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0086]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0087]
图1是本发明实施例的波像差检测系统结构示意图；
[0088]
图2是本发明实施例的检测模块各组成部分示意图；
[0089]
图3是本发明实施例的光程差检测原理示意图；
[0090]
图4是本发明实施例的一种检测模块结构示意图；
[0091]
图5是本发明实施例的滤光片转轮的主视图；
[0092]
图6是本发明实施例的滤光片转轮的侧视图；
[0093]
图7是本发明实施例的另一种检测模块结构示意图；
[0094]
图8是本发明实施例的波像差检测方法的流程示意图。
[0095]
附图标记：1-检测模块；2-分析模块；3-待测相机；11-光源装置；12-单色装置；13-整形装置；14-调整装置；4-波前传感器；121-第一透镜；122-滤光片转轮；123-第二透镜；131-针孔；132-可变光阑；133-第三透镜；1221-转盘；1222-滤光片；1223-开孔；124-第一狭缝；125-第一反射镜；126-凹面准直镜；127-平面反射光栅；128-凹面成像镜；129-第二反射镜；120-第二狭缝；134-第一整形透镜；135-整形针孔；136-整形可变光阑；137-第二整形透镜。
具体实施方式
[0096]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0097]
实施例1
[0098]
本实施例提出了一种相机全系统的波像差检测系统，基于相位差波前传感原理，通过在光源端切换成像波长，实现不同成像通道的相位差异，进而实现相机全系统的波像差检测。检测系统结构示意图如说明书附图1所示。具体方案如下:
[0099]
一种相机全系统的波像差检测系统，包括检测模块1和分析模块2，波像差检测系统的结构如说明书附图1所示。检测模块1主要通过成像波长，使待测相机3成像，分析模块2通过分析待测相机3的成像结果，分析波像差。具体地，分析模块2根据待测相机3的光学参数计算波长组合，以及采集并处理不同波长下的成像图像，结合成像波长、待测相机3镜片的折射率以及检测模块1的波前计算待测相机3的波像差。其中，待测相机3包括成像镜头、探测器，待测相机3的光轴对准公共光轴，用于接收整形装置13发送的均匀平行光束并进行成像，以得到不同波长下的成像图像。
[0100]
其中，检测模块1包括光源装置11、单色装置12和整形装置13。在检测模块1中，按照光源装置11、单色装置12和整形装置13的顺序布置，各装置的中心对准公共光轴。此外，检测模块1还包括调整装置14，待测相机3位于调整装置14上。检测模块1的具体结构如说明书附图2所示。
[0101]
具体地，光源装置11用于输出包含不同波长成分的复色光，在可见光波段提供持续稳定的连续光谱输出。特别地，光源装置11输出包含波长组合中各个波长的复色光。复色光的波段覆盖波长组合中的各个波长，可根据波长组合适度调整光源装置11的输出波段。光源装置11负责提供成像照明光源，由于需要满足不同波长成像要求，在本实施例中，光源装置11中的光源为宽谱复色光源，例如白光led、卤素灯、氘灯、氙灯、钨灯等，能够在可见光波段提供持续稳定的连续光谱输出。
[0102]
具体地，单色装置12用于对复色光进行分光处理，输出光谱区间符合预设光谱条件的单色光。单色装置12负责对入射的复色光进行处理，输出光谱区间足够窄的单色光，单色光与波长组合中的波长相对应。根据采用的原理不同，单色装置12可以为棱镜分光单色装置、光栅分光单色装置、滤光片单色装置等。
[0103]
具体地，整形装置13用于对单色光进行波面整形，以获取均匀平行光束，波面整形包括空间滤波、准直扩束和光束直径调整。示例性的，整形装置13包括针孔、准直镜和光阑。针孔可对光束进行空间滤波。准直镜可将光束准直扩束。光阑可控制出射光束的直径。
[0104]
调整装置14负责对待测相机3的位置和姿态进行调节，使待测相机3的成像镜头对准检测模块1的出光口，并使待测相机3的光轴与检测模块1的公共光轴对齐。在本实施例中，调整装置14包括多自由度调整架，待测相机3位于调整架上。通过控制调整装置14，可实现沿光轴方向、水平和高度方向的平移，以及旋转、二维俯仰调节，且调节精度高。
[0105]
测量时，将待测相机3放置在调整架上，调整相机的位置和姿态，使相机镜头对准检测模块1的出光口，待测相机3光轴与检测模块1的公共光轴对齐，均匀平行光束通过待测相机3的镜头，会聚到待测相机3的相机探测器，被探测器接收成像，得到成像结果。
[0106]
分析模块2包括：根据待测相机3的光学参数，计算波长组合，光学参数包括镜头在预设波长的焦距、出瞳直径、镜头的镜片材料折射率随波长变化的关系函数；采集波长组合中各个波长下的成像图像，并统一转化为灰度图像；计算波长组合中每个波长的平均图像，并根据平均图像计算每个波长的归一化图像；在每个波长对应的归一化图像中，于预设位
置截取预设像素大小的子图像，使成像光斑位于子图像的中心位置；获取每个波长对应的成像点扩散函数，结合成像目标和子图像构建目标评价函数，成像点扩散函数中包括检测模块1在每个波长时的出射光束的光程差；利用最优化估计算法，求解目标评价函数最小时、待测相机3在预设波长下的第一光程差；根据第一光程差计算待测相机3在预设波长下的成像波像差。
[0107]
现有的波像差检测方法的检测对象基本都是镜头或者透镜、反射镜，很少能够实现相机全系统的检测。实际上，相机镜头与探测器的装配，可能会产生各种问题，导致新的像差。例如镜头轴向位置偏差导致离焦、镜头倾斜导致慧差和像散、镜片挤压变形导致畸变等。这些像差是在镜头与探测器装配后产生的，只能在相机全系统状态下才能被检测出来。然而，传统的检测方法例如干涉仪、波前传感器等受限于自身测量原理的特点，难以实现相机全系统检测。
[0108]
本实施例通过拍摄若干幅引入已知相位差异的图像，利用这些图像和光学成像模型构建目标评价函数，通过最优化估计算法求解待测波前相位。因为需要补偿波长变化引起的波前相位变化，所以要求成像镜片材料为单一材料。因为普通镜头的镜片组都是采用同一种材料，所以绝大多数相机系统都是满足该条件的。传统的相位差异一般通过精确移动探测器的轴向位置，或者在空间上布置多个轴向位置有差异的探测器来实现。但是这两种相位差异产生方式，对于一个装配好的相机系统，都很难实现，依赖于高精度操作，极易受到环境干扰。而本实施例通过在光源端切换成像波长产生相位差异，能够实现相机全系统检测，无需移动探测器即可实现相位差异，易于实现，且检测精度高，干扰因素少，抗环境干扰能力强。
[0109]
具体地，分析模块2根据待测相机3的光学参数，计算波长组合。示例性的，设待测相机3的镜头在预设波长λ1的焦距为f，出瞳直径为d，镜头的镜片材料的折射率随波长变化的关系函数为n(λ)，在波长λ1的折射率为n1，有n1＝n(λ1)。根据下式计算n2和n3：
[0110][0111][0112]
其中k为调节系数，优选地，0.8≤k≤1.2。根据折射率与波长的关系函数n(λ)，求解λ2和λ3，使λ2和λ3满足n(λ2)＝n2，n(λ3)＝n3。波长组合为{λ1,λ2,λ3}。波长组合中的每个波长，都包含在光源装置11的光源光谱范围内，并可以通过调整单色装置12得到。
[0113]
对波长组合{λ1,λ2,λ3}中的每个波长λm，检测模块1发射该波长的单色均匀平行光束，被待测相机3接收成像，得到成像结果。假设，分析模块2采集n幅图像t
mn
，其中，m代表波长下标，m＝1,2,3，n代表图像序号，n＝1,2,3...n。即发射波长λ1的单色均匀平行光束时，分析模块2采集图像t
1n
；发射波长λ2的单色均匀平行光束时，分析模块2采集图像t
2n
；发射波长λ3的单色均匀平行光束时，分析模块2采集图像t
3n
。需要说明的是，若t
mn
为彩色图像，将其转化为灰度图像。
[0114]
对波长组合{λ1,λ2,λ3}中的每个波长λm，计算平均图像tm:
[0115][0116]
根据平均图像tm计算归一化图像tm:
[0117][0118]
其中，tm代表归一化图像，m代表波长下标，m＝1,2,3，(x,y)为图像像素坐标位置。
[0119]
对归一化图像t1，截取像素大小为m
×
m的子图像t
1s
，使成像光斑位于t
1s
的中心位置；对归一化图像t2和t
t
，分别在与t1截取位置相同的位置截取子图像t
2s
和t
3s
。即对归一化图像t1、t2和t3，在相同的图像位置截取子图像。
[0120]
建立关于成像目标和光程差的目标评价函数，表达式为：
[0121][0122]
其中，o为成像目标，*代表卷积运算，h1、h2、h3为成像点扩散函数，h1、h2、h3的表达式分别为：
[0123][0124][0125][0126]
其中，w
b1
、w
b2
、w
b3
分别为检测模块在波长为λ1、λ2、λ3时出射光束的光程差，p为相机系统的光瞳函数，f
·
代表傅里叶变换，w1为在波长为λ1时待测相机产生的光程差。
[0127]
光瞳函数p又称为出瞳函数，在光瞳内其值为1，在光瞳外其值为0。对于一个固定的相机系统，光瞳函数一般是已知的。镜片的折射率随波长变化的关系函数n(λ)，可以采用couchy色散公式、hartmann色散公式、conrady色散公式、hetzberger色散公式等经验色散公式。
[0128]
利用最优化估计算法，求解目标评价函数的最小值，进而求解在目标评价函数最小时对应的第一光程差和第一成像目标；第一光程差和第一成像目标的原理公式如下：
[0129]
e(oe,w
1e
)＝min{e(o,w1)}
[0130]
其中，oe表示第一成像目标，w
1e
表示第一光程差；
[0131]
计算待测相机3系统在波长λ1下的成像波像差：
[0132][0133]
其中，φ表示成像波像差，λ1表示预设波长。
[0134]
检测模块1的出射光束的光程差是已知的。通过某些技术手段，对检测模块1在不同波长的wb进行测量，并作为参数存储。求解时直接调出{λ1,λ2,λ3}对应的wb代入到计算中。因为对于固定的检测模块1，wb变化是非常缓慢的，所以不需要每次检测时都重新测量wb，只需要对wb进行定期校准。
[0135]
此外，本实施例还提出了一种通过波前传感器4测量wb的方案。如附图3所示，将波前传感器4放置在检测模块1的出光口，调整波前传感器4的位置和姿态，使波前传感器4的光轴与检测模块1的光轴对齐。对所有波长，检测模块1发射该波长的单色均匀平行光束，波前传感器4测量其波前相位并计算光程差wb，并作为参数存储。求解时直接调出波长组合中各波长对应的wb代入到计算中。
[0136]
本实施例提出了一种相机全系统的波像差检测系统，通过拍摄若干幅引入已知相位差异的图像，利用图像和待测相机的光学参数构建目标评价函数，利用最优化估计算法求解待测波前相位。与干涉仪、波前传感器等传统方法相比，不需要额外增加复杂昂贵的器件，结构简单、易于实现，而且对操作环境要求较低。基于相位差波前传感原理，通过在光源端切换成像波长，实现不同成像通道的相位差异，进而实现相机全系统的波像差检测，相较于传统的调整探测器位置实现相位差异，更易实现，且检测精度高，抗环境干扰能力强。
[0137]
实施例2
[0138]
本实施例在实施例1的基础上，限定了一种单色装置和整形装置的具体结构。具体方案如下：
[0139]
在本实施例中，单色装置12包括第一透镜121、滤光片转轮122和第二透镜123，整形装置13包括针孔131、可变光阑132和第三透镜133，具体结构如说明书附图4所示。其中，光源装置11优选氙灯灯泡，滤光片转轮122上设置有多个滤光片1222，可切换滤光片1222滤除不同波长的光束。切换后的滤光片1222对准公共光轴，将该滤光片为通光滤光片。第一透镜121、滤光片转轮122的通光滤光片和第二透镜123的中心对准公共光轴。
[0140]
滤光片转轮122位于第一透镜121和第二透镜123之间，光源装置11的发光点位于第一透镜121的前焦点处，整形装置13位于第二透镜123的后焦点侧；第一透镜121用于将复色光由发散光准直为近似平行光的第一平行光；滤光片转轮122上设置有多个滤光片1222，用于滤除第一平行光中的预设光谱成分，得到呈窄带光谱的单色光；第二透镜123用于将单色光会聚到第二透镜123的后焦点处。氙灯灯泡位于第一透镜121的前焦点处，灯泡发出的发散光波经过第一透镜121后被准直为近似平行光的第一平行光，第一平行光穿过滤光片1222被滤除其它光谱成分，得到对应波长的窄带光谱单色光。单色光接着被第二透镜123会聚在其后焦点处。
[0141]
其中，滤光片转轮122包括转盘1221和不同波长的滤光片1222，通光滤光片1222的中心对准公共光轴；转盘1221上设置有沿圆周均匀分布、且贯穿转盘1221的开孔1223，滤光片1222覆盖在开孔1223上，以使转盘1221转动时切换不同波长的滤光片1222，且切换后的滤光片1222为通光滤光片，光束会通过通光滤光片，进入第二透镜123。一系列滤光片1222安装在滤光片转轮122上，滤光片转轮122结构正视图如附图5所示，侧视图如说明书附图6所示。在转盘1221上沿着圆周均匀设置有开孔1223，将不同波长的滤光片1222覆盖在开孔1223上并固定；当围绕光轴方向转动转盘1221，能够对光路中的滤光片1222进行切换，从而改变通过光束的波长。
[0142]
其中，整形装置13包括针孔131、可变光阑132和第三透镜133，且针孔131、可变光阑132和第三透镜133的中心对准公共光轴。可变光阑132位于针孔131和第三透镜133之间。
针孔131位于第二透镜123的后焦点处，用于对第二透镜123的会聚的单色光进行空间滤波，出射球面光波；针孔131位于第三透镜133的前焦点处，第三透镜133用于将球面光波准直为均匀分布的平行光束，得到均匀平行光束。从针孔131出射的球面光波经过第三透镜133后被准直为均匀分布的平行光出射，得到均匀平行光束。可变光阑132用于通过调节光阑的大小控制均匀平行光束的光束直径。
[0143]
在本实施例中，氙灯灯泡、第二透镜123、滤光片1222、第二透镜123、针孔131、可变光阑132、第三透镜133依序设置、且各部分中心对准共光轴设置。
[0144]
本实施例在实施例1的基础上，提供了一种基于滤光片的单色装置，并进一步限定了整形装置的结构。通过滤光片滤除其它光谱成分，得到对应波长的窄带光谱单色光。滤光片转轮可转动，能够得到不同波长的光谱成分，简化了滤光的过程。
[0145]
实施例3：
[0146]
本实施例在实施例1的基础上，限定了另一种单色装置和整形装置的具体结构。具体方案如下：
[0147]
在本实施例中，单色装置12包括第一狭缝124、第一反射镜125、凹面准直镜126、平面反射光栅127、凹面成像镜128、第二反射镜129和第二狭缝120。光源系统优选钨灯灯泡。具体结构如说明书附图7所示。
[0148]
第一狭缝124为长条细狭缝，位于凹面准直镜126的前焦点处，用于将复色光由发散光波转换为长条细发散光；
[0149]
第一反射镜125用于将第一狭缝124射出的长条细发散光反射到凹面准直镜126；
[0150]
凹面准直镜126用于将长条细发散光准直为近似平行光的第二平行光，并将第二平行光照射到平面反射光栅127处；
[0151]
平面反射光栅127能够将不同波长的光以不同的反射角度射出，用于将第二平行光进行色散分光并反射到凹面成像镜128中；
[0152]
凹面成像镜128用于会聚平面反射光栅127射出的光，由于不同波长的光的反射角度不同，平面反射光栅127射出的光会聚到凹面成像镜128中的焦面的位置不同；
[0153]
第二狭缝120位于凹面成像镜128的焦面处，只有通过第二狭缝120的会聚光束作为单色装置12输出的单色光。
[0154]
平面反射光栅127将复色光进行色散分光，不同波长的光的反射角度不同。平面反射光栅127反射出的光被凹面成像镜128会聚，不同波长的光入射角不同，所以会聚到凹面成像镜128的焦面的位置不同。第二狭缝120位于凹面成像镜128的焦面处，只有通过第二狭缝120的光束才能作为单色装置12输出的单色光出射，即只有某个波长范围内的光束，经过凹面成像镜128后的会聚位置位于第二狭缝120内，才能完整通过第二狭缝120，由此实现光波长的筛选。
[0155]
其中，平面反射光栅127能够围绕垂直分光平面的方向旋转，通过旋转平面反射光栅127改变通过第二狭缝120出射光的波长。第一狭缝124和第二狭缝120的狭缝方向相同，都是沿垂直分光平面方向。出射光的光谱范围与狭缝相关，狭缝越窄，光谱越窄，单色性越好。
[0156]
相应地，整形装置13包括第一整形透镜134、整形针孔135、整形可变光阑136和第二整形透镜137，各部分按照第一整形透镜134、整形针孔135、整形可变光阑136和第二整形
透镜137的顺序布置、且中心对准公共光轴。
[0157]
整形针孔135所在平面和第二狭缝120所在平面关于第一整形透镜134互成成像共轭面；
[0158]
第一整形透镜134用于压缩单色光，并会聚到整形针孔135处得到会聚光束；
[0159]
整形针孔135用于对会聚光束进行空间滤波，出射第一球面波；
[0160]
整形针孔135位于第二整形透镜137的前焦点处，第二整形透镜137用于将第一球面波准直为均匀分布的平行光束，得到均匀平行光束；
[0161]
整形可变光阑136位于整形针孔135和第二整形透镜137之间，用于通过调节光阑的大小控制均匀平行光束的直径。
[0162]
从第二狭缝120出射的细条光束经过第一整形透镜134后被压缩，会聚在整形针孔135处，整形针孔135对会聚光束进行空间滤波。整形针孔135位于第二整形透镜137的前焦点处，从整形针孔135出射的球面波经过第二整形透镜137后，被准直为均匀分布的平行光出射。整形可变光阑136位于整形针孔135和第二整形透镜137之间，通过调节光阑大小控制出射光束的直径。
[0163]
本实施例在实施例1的基础上，提供了一种基于光栅分光的单色装置，并进一步限定了整形装置的结构。通过旋转光栅改变通过第二狭缝出射光的波长。通过控制狭缝的宽度，调节单色光的单色性，狭缝越窄，光谱越窄，单色性越好，实现单色装置的单色性可控。
[0164]
实施例4
[0165]
本实施例提出了一种相机全系统的波像差检测方法，采用实施例1-3任意一种相机全系统的波像差检测系统，检测方法流程示意图如说明书附图8所示。具体方案如下:
[0166]
一种相机全系统的波像差检测方法，包括如下步骤：
[0167]
101、调整待测相机的位置和姿态，使待测相机的镜头位于在检测模块的出光口处、且光轴与检测模块的公共光轴对齐；
[0168]
102、分析模块根据待测相机的光学参数计算波长组合；
[0169]
103、光源装置输出复色光，在可见光波段提供持续稳定的连续光谱输出；
[0170]
104、单色装置对复色光进行处理，输出光谱区间符合预设光谱条件的单色光；
[0171]
105、整形装置对单色光进行波面整形，以获取均匀平行光束，波面整形包括空间滤波、准直扩束和光束直径调整；
[0172]
106、待测相机接收均匀平行光束并进行成像，以得到不同波长下的成像图像；
[0173]
107、分析模块采集并处理不同波长下的成像图像，结合成像波长、待测相机镜片的折射率以及检测模块的波前计算待测相机的波像差。
[0174]
其中，波像差的计算过程具体包括：根据待测相机的光学参数，计算波长组合，光学参数包括镜头在预设波长的焦距、出瞳直径、镜头的镜片材料折射率随波长变化的关系函数；采集波长组合中各个波长下的成像图像，并统一转化为灰度图像；计算波长组合中每个波长的平均图像，并根据平均图像计算每个波长的归一化图像；在每个波长对应的归一化图像中，于预设位置截取预设像素大小的子图像，使成像光斑位于子图像的中心位置；获取每个波长对应的成像点扩散函数，结合成像目标和子图像构建目标评价函数，成像点扩散函数中包括检测模块在每个波长时的出射光束的光程差；利用最优化估计算法，求解目标评价函数最小时、待测相机在预设波长下的第一光程差；根据第一光程差计算待测相机
在预设波长下的成像波像差。
[0175]
其中，计算波长组合具体包括：
[0176]
设待测相机的镜头在预设波长λ1的焦距为f，出瞳直径为d，镜头的镜片材料的折射率随波长变化的关系函数为n(λ)，在预设波长λ1下的折射率为n1，且存在n1＝n(λ1)
[0177]
存在n2和n3，且n2和n3满足：
[0178][0179][0180]
其中k为调节系数，优选地，0.8≤k≤1.2；
[0181]
根据关系函数n(λ)，求解λ2和λ3，使λ2和λ3满足n(λ2)＝n2，n9λ3)＝n3；
[0182]
波长组合为{λ1,λ2,λ3}。对波长组合{λ1,λ2,λ3}中的每个波长λm，采集n幅图像t
mn
，其中，m代表波长下标，m＝1,2,3，n代表代表图像序号，n＝1,2,3...n；对波长组合{λ1,λ2,λ3}中的每个波长，计算平均图像，平均图像的表达式为：
[0183][0184]
其中，tm表示平均图像，n表示每个波长对应的成像图像总数量；根据平均图像tm计算归一化图像：
[0185][0186]
其中，tm代表归一化图像，m代表波长下标，m＝1,2,3，(x,y)为图像像素坐标位置；
[0187]
对归一化图像t1，截取像素大小为m
×
m的子图像t
1s
，使成像光斑位于t
1s
的中心位置；
[0188]
对归一化图像t2和t3，分别在与t1截取位置相同的位置截取子图像t
2s
和t
3s
。
[0189]
目标评价函数的表达式为：
[0190][0191]
其中，o为成像目标，*代表卷积运算，h1、h2、h3为成像点扩散函数，h1、h2、h3的表达式分别为：
[0192][0193][0194][0195]
其中，w
b1
、w
b2
、w
b3
分别为检测模块在波长为λ1、λ2、λ3时出射光束的光程差，p为相机
系统的光瞳函数，f
·
代表傅里叶变换，w1为在波长为λ1时待测相机产生的光程差。
[0196]
利用最优化估计算法，求解目标评价函数的最小值，进而求解在目标评价函数最小时对应的第一光程差和第一成像目标；
[0197]
第一光程差和第一成像目标的原理公式如下：
[0198]
e(oe,w
1e
)＝min{e(o,w1)}
[0199]
其中，oe表示第一成像目标，w
1e
表示第一光程差；
[0200]
计算待测相机系统在波长λ1下的成像波像差：
[0201][0202]
其中，φ表示成像波像差，λ1表示预设波长。
[0203]
本实施例提出了一种相机全系统的波像差检测方法，适用于实施例1-3中的波像差检测系统。将波像差检测系统方法化，使其更具实用性。
[0204]
本发明提供了一种相机全系统的波像差检测系统及检测方法，解决了现有技术中无法进行相机全系统检测的弊端。通过拍摄若干幅引入已知相位差异的图像，利用图像和待测相机的光学参数构建目标评价函数，利用最优化估计算法求解待测波前相位。与干涉仪、波前传感器等传统方法相比，不需要额外增加复杂昂贵的器件，结构简单、易于实现，而且对操作环境要求较低。基于相位差波前传感原理，通过在光源端切换成像波长，实现不同成像通道的相位差异，进而实现相机全系统的波像差检测。相较于传统的调整探测器位置实现相位差异，本发明的方案更易实现，且检测精度高，抗环境干扰能力强。
[0205]
本领域普通技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0206]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
[0207]
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。