CN115712202B - 一种基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化的方法，包括：理想成像系统仿真模块，温度导致像质退化分析模块，反卷积像质校正模块。理想成像系统仿真模块作为成像模块进行仿真成像；温度导致像质退化分析模块是在Zemax里面用多重组态模式分析出不同温度下对应的Zernike多项式并做成序列表；反卷积像质校正模块用实际温度传感器测得温度对应已有序列表用对应Zernike多项式进行反卷积达到校正温度带来像差变化的结果，可以达到处理温度带来像质退化的效果，不需要额外增加调焦组件，简化了系统，提高了系统可靠性，降低了系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统成像技术领域，特别是涉及一种基于Zernike多项式补偿光学系统像差的方法，主要是通过Zemax热分析得到不同温度下光学系统Zernike多项式对实际系统进行像差校正。
背景技术
随着现代技术的发展，对光电跟踪测量系统的观测和跟踪能力的要求越来越高，从而光学系统设计的越来越复杂，光学系统的探测精度高、结构复杂特别是长焦系统，焦距长，易受温度影响。因此对光学系统进行温度分析及补偿有利于改善成像质量，补偿温度效应，提高系统的温度稳定性。
传统对成像系统温度补偿方法主要是对系统进行消热差设计,目前常用的消热差技术主要有三类，即机械被动式、机电主动式和光学被动式，前两种只补偿像面位移而不补偿焦距，并且两种方法都会使系统更加复杂，增大体积和重量，降低系统的可靠性。光学被动消热差技术的原理是在温度变化时，光学元件产生的离焦和机械结构产生的变化量相互补偿，使整个系统的离焦量控制在允许的范围内，以保持像面的稳定，但是这样光学镜片材料往往较难加工、生产批次少导致系统成本高。
针对上述问题本发明提出一种基于Zernike多项式反卷积温度补偿方法，首先利用Zemax获得不同温度下对应Zernike多项式再反卷积补偿，避免了在设计之初对光学材料有过高的要求，其次在序列表完成后，在实际系统使用时可以保证实时性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于Zemax分析得到不同温度对应Zernike多项式进行反卷积补偿温度带来像质退化。
本发明采用的技术方案为：一种基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化的方法，该方法利用的系统包括：理想成像系统仿真模块1，温度导致像质退化分析模块2和反卷积像质校正模块3，该方法包括以下步骤：
步骤1：利用理想成像系统仿真模块1得到理想情况下光学系统成像质量；
步骤2：利用温度导致像质退化分析模块2多重组态温度分析，得到不同温度下像质退化情况，也就是对应Zernike多项式体现出的波像差并对应温度做成序列表；
步骤3：实际温度传感器下测得温度并得到实际温度下对应图像；
步骤4：利用反卷积像质校正模块3将对应温度下将得到的图像对应Zernike多项式温度序列表，将对于Zernike系数代入光瞳函数相位进行反卷积得到像质恢复后图像。
进一步地，建立理想成像系统仿真模块1包括：对实际需求建立完整的理想成像系仿真模型1，根据物距、视场大小和分辨率得到实际的靶面大小以及焦距，在Zemax里建立光学系统模型，得到20℃下理想成像结果以调制传递函数(MTF)在截止频率处大于0.3认为成像质量达到要求，并利用Zemax图像模拟得到理想成像将此结果作为像质校正的标准，作为温度校正图像的对照图像。
进一步地，建立温度导致像质退化分析模块2包括：根据20℃下理想成像结果，从-30℃～60℃每隔1℃建立一个组态，并输入对应外壳以及隔圈材料的热膨胀系数进行温度分析，得到温度与成像质量对应关系，以1-37阶泽尼克多项式作为评判标准，得到不同温度对应不同Zernike多项式序列表。
进一步地，实际温度传感器下测得温度并得到实际温度下对应图像，根据得到的Zernike多项式序列表反卷积补偿温度带来像质退化。
本发明原理在于：从对光学系统分析来看，光学系统受温度影响较大，在-30℃～60℃温度范围内偏离常温越大，系统的光学性能改变就越多，因此，提出一种新的温度补偿思路，光学设计时就把定量分析出光学系统在环境温度条件下的Zernike多项式变化趋势并做成序列表，使用时根据环境温度查表，获得光瞳函数相位对图像反卷积，对实时图像进行修正补偿，可以改善成像质量，这样，可以去掉系统中复杂的调焦机构，简化系统，提高系统可靠性。具体的，一种基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化的方法，该方法包括如下步骤：步骤1：Zemax中建立对应成像系统并得到理想情况下光学系统成像质量；步骤2：建立多重组态并进行热分析，得到不同温度下，成像系统的像质退化情况，并用列出Zernike多项式对应温度序列表；步骤3：用温度传感器测得实际环境温度并得到对应图像；步骤4：将步骤2中得到的Zernike多项式代入到光瞳函数相位并对实际测得温度图像反卷积，实现对温度带来像差的校正。
本发明与现有方法相比具有如下优点：
(1)同传统机械被动式、机电主动式的温度像差补偿方法相比，简化了系统，提高系统可靠性。
(2)同光学无热化的温度像差补偿方法相比，提高了系统公差容忍度，减少了加工成本。
(3)该发明结构简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明的基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化方法原理图；图1中1是理想成像系统仿真模块；2是温度导致像质退化分析模块；3是反卷积像质校正模块。
图2是本发明的基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化方法流程图。
图3是本发明的-30℃时图像和反卷积校正之后的图像。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：
如图1所示，基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化方法，利用的系统包括：理想成像系统仿真模块1，温度导致像质退化分析模块2，反卷积像质校正模块3。
首先，根据现有参数视场、分辨率、相机靶面等建立理想成像系统，以20℃时系统成像作为理想成像标准，当调制传递函数(MTF)在空间截止频率处大于0.3时认为系统成像质量符合要求，并且利用Zemax图像模拟功能得到此时图像通过系统在20℃下图像作为对照图像，参见图1中理想成像系统仿真模块1。之后利用Zemax建立多重组态，在-30℃～60℃中每隔1℃建立一个组态，通过输入光学系统外壳以及隔圈材料热膨胀系数进行热分析得到不同温度对应前37阶Zernike多项式序列表1。
表1
其中：T1～T101对应-30℃～60℃，对应温度Ti下前37阶Zernike多项式的系数，ρ和θ为单位圆内部是连续正交的两个变量，ρ*cos(θ)，ρ*sin(θ)，…，924ρ12-2772ρ10+3150ρ8-1680ρ6+420ρ4-42ρ2+1分别为第1，2，…，37阶Zernike多项式。
之后根据光学系统成像原理：像平面光强分布等于物平面光强分布和系统点扩散函数的卷积，i(x,y)＝o(x,y)*h(x,y)，式中，(x,y)代表图像平面上点，i(x,y)代表可通过CCD获得的像平面光强分布，o(x,y)代表未知的物平面光强信息，h(x,y)代表系统的点扩散函数，具体公式为：
式中，A(u,v)代表孔径函数，代表波像差通常用Zernike多项式表示：
式中，μi为Zernike多项式每一项的多项式系数，Zi(u,v)为分解的不同项波前模式。
通过Zemax可以得到不同温度下的1-37阶Zernike多项式系数，进一步得到光瞳函数相位因子，可以计算出点扩散函数，对测得的模糊图像反卷积即可得到像质恢复后图像，参见图1反卷积像质校正模块3所示。
如图2所示，基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化方法具体流程为，建立理想成像系统模型，得到理想情况下系统成像情况作为对照。在Zemax利用多种组态模式对系统热分析得到不同温度下Zernike多项式序列表。在实际环境温度下系统成像得到不同温度实际像质退化结果。最后对照已有Zernike序列表反卷积校正像差。
如图3所示，(a)为-30℃时Zemax模拟图像和(b)为反卷积校正之后的图像。
本发明公开了一种基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化的方法，其特征在于：该方法利用的系统包括：理想成像系统仿真模块（1），温度导致像质退化分析模块（2）和反卷积校正模块（3），该方法包括以下步骤：
步骤1：利用理想成像系统仿真模块（1）得到理想情况下光学系统成像质量；
步骤2：利用温度导致像质退化分析模块（2）多重组态温度分析，得到不同温度下像质退化情况，也就是对应Zernike多项式体现出的波像差并对应温度做成序列表；
步骤3：实际温度传感器下测得温度并得到实际温度下对应图像；
步骤4：利用反卷积像质校正模块（3）将对应温度下将得到的图像对应Zernike多项式温度序列表，将对于Zernike系数代入光瞳函数相位进行反卷积得到像质恢复后图像；
其中，建立理想成像系统仿真模块（1）包括：对实际需求建立完整的理想成像系仿真模型（1），根据物距、视场大小和分辨率得到实际的靶面大小以及焦距，在Zemax里建立光学系统模型，得到20℃下理想成像结果以调制传递函数（MTF）在截止频率处大于0.3认为成像质量达到要求，并利用Zemax图像模拟得到理想成像将此结果作为像质校正的标准，作为温度校正图像的对照图像；
建立温度导致像质退化分析模块（2）包括：根据20℃下理想成像结果，从-30℃~60℃每隔1℃建立一个组态，并输入对应外壳以及隔圈材料的热膨胀系数进行温度分析，得到温度与成像质量对应关系，以1-37 Zernike多项式作为评判标准，得到不同温度对应不同Zernike多项式温度序列表。
2.根据权利要求1所述的基于Zernike多项式的补偿温度带来像质退化的方法，其特征在于，实际温度传感器下测得温度并得到实际温度下对应图像，根据得到的Zernike多项式序列表反卷积补偿温度带来像质退化。
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