几何像差的自动检测方法

哈特曼法是能够比较全面、准确地测量光学系统几何像差的方法之一.传统的哈特曼系统是以照相干板接收哈特曼米字图案,人眼观测和手工数据处理的方式进行测量的,使用上繁琐,误差较大.日本学者曾采用线阵固态摄像元件,试图实现该方法的自动测量[1],以改善这种测量手段.

　　作者利用现代光电技术和计算机技术,把哈特曼图案的光信号转换成计算机易于处理的视频图像信号,并通过接口变为二进制数据存入计算机内存,经过计算机处理便得到各种几何像差的测量结果.从而,把哈特曼系统改进成为能够快速测量、实时处理及功能完备的光学自动检测系统.

1　测量原理

　　所有光阑检验法都按已给方式在波面的若干位置取样,当取样点之间有一定的确定关系时,就能再现波面.这类方法都是建立在纯几何光学原理基础上的.哈特曼法就是其中的一种.图1是哈特曼法测球差的原理图.光源1通过滤光镜2、聚光镜3、照明小孔光栏4.在平行光管5与被测物镜7之间有若干个小孔按米字形排列的小孔光栏6,此光栏通常称为哈特曼光栏.由物镜5射出的平行光通过哈特曼光栏后被分割成许多不同高度的细光束射向被测物镜7.如果被测物镜存在像差,则不同入射高度的细光束通过被测物镜后将相交于不同的位置.测得两截面E1和E2上所截得的米字形光斑各对应点的中心距bn1和bn2,按下式即可确定各不同入射高度的光线对在像空间的交点Fn的位置坐标.

式中:d为E1和E2两截面间距离.以Sn为横坐标,以入射高度hn为纵坐标,即可作出图2所示的球差曲线.将曲线延长与横坐标交于F’0,即为近轴焦点.

　　同理也可以测量物镜的色差以及几种轴外点的像差。如慧差、场曲和像差等物镜的几何像差[4].

2　几何像差的自动测量系统

如图3所示,基于哈特曼法的几何像差自动检测系统,由图像测量和位移测量两部分组成.从测量原理分析可见,哈特曼法的主要测量任务是获得E1和E2截面上米字光斑的坐标及E1和E2间的距离.选用面阵CCD作图像测量传感器是该系统的主要特色之一,它充分显示了CCD高分辨率、高灵敏度、像素位置准确及自扫描的特点.用CCD可以完成测光、曝光及坐标变换等操作.

　　CCD信号的数据采集和图像显示由图像卡完成.工作原理是:带有图像空间坐标信息的CCD视频信号经放大滤波后,进入A/D完成数字化处理.之后,这些数据被存放在专门的帧存储器中.上述工作在时序控制电路的管理下实时完成.帧存储器地址映射为微机内存的一部分,通过微机内部指令可直接调用这些数据.此外,帧存储器中的数据还可以通过查找表电路进入D/A转换电路,合成为全电视信号,送往图像监视器.