一种无焦共轭光路MTF测试装置及测试方法与流程

本发明属于光学计量与测量领域，具体涉及一种无焦光学系统mtf（光学调制传递函数）测试装置，以及其测试方法。

背景技术：

随着光电装备的快速发展，高精度、多功能、复杂化的新型光学成像系统应运而生。成像类系统按光路结构来分，通常包括无穷远共轭光路、有限远共轭光路以及无焦共轭光路三种，其中无穷远、有限远两种共轭光路结构可直接在其像方成像，国外成熟研制高精度mtf测试设备的厂家如：美国optikos、德国trioptics及以色列的cisystems，均有成套设备直接用于测试，国内并无专业生产厂家。

无焦共轭光路结构的像面位于无穷远处，在其像方不直接进行成像，mtf测试方法完全不同于无穷远、有限远两种类型。无焦共轭光路虽不直接进行成像，但通常作为新型光学成像系统的子系统置于整套系统的前端，并参与系统几何像差分配，其装调质量直接影响整套系统的最终成像质量，因此必须测量无焦共轭子成像光路的mtf以客观评价整套系统的像质。

受制于无焦共轭光路mtf测试基准搭建、测试流程复杂度以及测试精度保证等诸多因素的影响，无焦共轭光路的mtf测试一直是一个技术难题，在装配过程中也是难以进行测试的。目前国外厂商仅有无焦共轭光路像质测试方案的简图，未见有测试方法见诸报道，无法直接通过购买现有设备完成测试。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于根据现有测试技术及测试手段的不足，通过对无焦共轭光路mtf测试原理的分析，搭建了一种无焦共轭光路mtf测试装置，可在装配、测试阶段全面把握无焦共轭光路的像质，装配出像质优良、可靠性高的新型光学成像系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无焦共轭光路mtf测试装置，包括位于同一折转光轴线上的靶标光源、滤光片、抛物面准直镜、折转平面镜、标准镜头和像分析仪，所述的像分析仪和标准镜头设置在可绕固定支点左右转动旋转工作台上，标准镜头前方依次设置有第一小孔光阑和第二小孔光阑，第一小孔光阑和第二小孔光阑的圆心在标准镜头的轴线上，第一小孔光阑位于标准镜头的入瞳处，第一小孔光阑的口径为φ2mm，中心与标准镜头的入瞳中心重合，第二小孔光阑的口径为φ5mm，位于标准镜头入瞳中心前方100-150mm处。

所述的一种无焦共轭光路mtf测试装置，其标准镜头安装在伸缩定位套筒上。

所述的一种无焦共轭光路mtf测试装置，其标准镜头为无穷远共轭光学系统结构。

所述的一种无焦共轭光路mtf测试装置，其靶标光源为内嵌圆孔靶的多波段光源。

所述的一种无焦共轭光路mtf测试装置，其第一小孔光阑和第二小孔光阑为中心透圆孔的圆形靶，靶面为黑色。

所述的一种无焦共轭光路mtf测试装置，其像分析仪和标准镜头通过导轨安装在旋转工作台上，所述的旋转工作台旋转角度＞±90°。

本发明的目的之二在于根据现有技术的不足，提供一种无焦光学系统mtf测试方法。

a）标准镜头位置的固定

置标准镜头于旋转工作台，使靶标光源发出的可见平行光束依次经抛物面准直镜和折转平面镜反射，再经φ5mm的第二小孔光阑和φ2mm的第一小孔光阑透射，并控制旋转工作台带动标准镜头和像分析仪绕支点分别沿顺、逆时针转动适量小角度，观察入射到第一小孔光阑上的φ5mm可见光光斑左右移动情况，然后前、后、左、右四向微移标准镜头，直至旋转工作台转动时光斑不发生移动为止，最后固定标准镜头；

b）像分析仪的固定

沿前、后、左、右四向移动像分析仪寻找标准镜头的最佳像面，并将测量值与已知标准值进行比对，确认最佳焦面位置后固定像分析仪，记录像分析仪的零位点位置；

c）被测无焦光路位置的固定

在旋转工作台的前方放置被测无焦光路，中间插入伸缩定位套筒，确保被测无焦光路的出瞳、光轴与标准镜头的入瞳、光轴相匹配，固定被测无焦光路，然后拔出伸缩定位套筒；

d）角放大倍率的测试

规定折转平面镜和旋转工作台当前所处的位置为零位，将折转角分别定义为、，当折转平面镜转动较小角度值时，根据被测无焦光路结构类型控制旋转工作台顺或逆向转动角度，直到像分析仪再次接收到能量最大值，按角放大倍率公式核算值与设计值是否相符；

e）进行mtf测试

将被测无焦光路与标准镜头组合等效为无穷远共轭光路结构，进行轴上0w视场mtf测试，测试结果单位为lp/mrad；

将折转平面镜转动角度，取值为轴外半视场相应角度值的一半，旋转工作台按照公式计算后转动角度，进行轴外0.7w、轴外1.0w视场mtf测试，测试结果单位为lp/mrad；

按照下面的公式进行lp/mrad与lp/mm单位间相互转化，得出测试结果单位为lp/mm的被测无焦光路轴上0w视场、轴外0.7w、轴外1.0w视场mtf测试结果：式中：为标准镜头焦距，单位mm。

本发明的主要优点在于：

1，本发明通过对无焦共轭光路mtf测试装置的搭建，解决了无焦光路参与整个新型光学成像系统成像，却无通用性测试装置直接用于像质评价的难题，适合工作在可见光、中波红外和长波红外波段的无焦光路系统；

2，通过对测试原理的分析，将整套测试流程细分为五个步骤，实现了轴上0w视场、轴外0.7w、轴外1.0w视场mtf的测试，确保了测试精度的正确性。

附图说明

图1为本发明装置的原理图；

图2为本发明φ2mm第一小孔光阑、φ5mm第二小孔光阑示意图；

图3为本发明标准镜头位置固定的原理调整图；

图4为本发明插入伸缩定位套筒后，无焦共轭光路位置固定的原理图；

图5为本发明折转平面镜与旋转工作台配合转动，进行轴外0.7w、1.0w视场mtf测试的原理图；

图6为本发明轴上0wmtf的测试结果（单位为lp/mrad）；

图7为本发明0.7wmtf的测试结果（单位为lp/mrad）；

图8为本发明1.0wmtf的测试结果（单位为lp/mrad）；

图9为本发明轴上0wmtf转化单位后的测试结果；

图10为本发明0.7wmtf转化单位后的测试结果；

图11为本发明1.0wmtf转化单位后的测试结果。

各附图标记为：1—靶标光源，2—滤光片，3—抛物面准直镜，4—折转平面镜，5—旋转工作台，6—像分析仪，7—标准镜头，8—第一小孔光阑，9—第二小孔光阑，10—伸缩定位套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1至图5所示，本发明公开了一种无焦共轭光路mtf测试装置，解决了以往无焦光学系统参与整个光学系统成像，却无法测试的难题，包括位于同一折转光轴线上的靶标光源1、滤光片2、抛物面准直镜3、折转平面镜4、标准镜头7和像分析仪6，所述的像分析仪6和标准镜头7设置在可绕固定支点左右转动旋转工作台5上，标准镜头7前方依次设置有第一小孔光阑8和第二小孔光阑9，第一小孔光阑8和第二小孔光阑9的圆心在标准镜头7的轴线上，第一小孔光阑8位于标准镜头7的入瞳处，第一小孔光阑8的口径为φ2mm，中心与标准镜头7的入瞳中心重合，第二小孔光阑9的口径为φ5mm，位于标准镜头7入瞳中心前方100-150mm处。本专利的靶标光源1、滤光片2、抛物面准直镜3、折转平面镜4、旋转工作台5、像分析仪6均为国外高精度mtf测试设备自有组件，属于通用型组件；所选滤光片2和像分析仪6均可更换，应与被测无焦光路工作波段相适应。

进一步，所述的标准镜头7安装在伸缩定位套筒10上，伸缩定位套筒10的筒身带刻度，内部可伸缩，一端接口与标准镜头7的入瞳匹配，另一端接口与被测无焦光路的出瞳匹配；标准镜头7为无穷远共轭光学系统结构，入瞳位于第一透镜上，焦距与无焦共轭光路后方设计的理想镜头焦距一致，物方口径大于无焦共轭光路像方出瞳口径，标准镜头在轴上及近轴±3°范围内mtf值达到衍射极限，并有标准比对数据，以尽可能消除标准镜头对无焦子系统像质测试带来的像差危害；此外抛物面准直镜3和折转平面镜4的口径大于被测无焦光路口径，被测无焦光路可为刻普勒型望远结构或伽利略型望远光学结构。

进一步，所述的靶标光源1为内嵌圆孔靶的多波段光源，工作在可见光、中波红外和长波红外波段；所述的第一小孔光阑8和第二小孔光阑9为中心透圆孔的圆形靶，靶面为黑色。

再进一步，所述的像分析仪6和标准镜头7通过导轨安装在旋转工作台5上，所述的旋转工作台5旋转角度＞±90°。

本发明基于无焦共轭光路mtf测试装置的测试方法包括如下步骤

标准镜头位置的固定

置标准镜头7于旋转工作台5，打开靶标光源1的可见光波段光源，使靶标光源1发出的一束大口径可见平行光束依次经抛物面准直镜3和折转平面镜4反射，再经φ5mm的第二小孔光阑9和φ2mm的第一小孔光阑8透射，并控制旋转工作台5带动标准镜头7和像分析仪6绕支点分别沿顺、逆时针转动适量小角度，观察入射到第一小孔光阑8上的φ5mm可见光光斑左右移动情况，若光斑随着旋转工作台5的转动左右移动，表示标准镜头7的入瞳未与旋转工作台5旋转轴重合，然后前、后、左、右四向微移标准镜头7，并通过旋转工作台5的反复转动验证可见光光斑的左右移动情况，直至旋转工作台5转动时光斑不发生移动为止，消除轴外视场准直光束测试带来的beamwalk问题，最后固定标准镜头7。

像分析仪沿光轴方向位置的固定

沿前、后、左、右四向移动像分析仪6寻找标准镜头7的最佳像面，并将测量值与已知标准值进行比对，确认最佳焦面位置后固定像分析仪6）记录像分析仪6的零位点位置；为全面真实反映无焦共轭光路系统的mtf测量值，后续测试过程中像分析仪应严格固定在标准镜头的最佳像面位置。

被测无焦光路位置的固定

在旋转工作台5的前方独立放置被测无焦光路，中间插入伸缩定位套筒10，确保被测无焦光路的出瞳、光轴与标准镜头7的入瞳、光轴相匹配，固定被测无焦光路，然后拔出伸缩定位套筒10。

角放大倍率的测试

规定折转平面镜4和旋转工作台5当前所处的位置为零位，将折转角分别定义为、，零位时像分析仪能量最大，此时、，当折转平面镜4转动较小角度值时，根据被测无焦光路结构类型控制旋转工作台5顺或逆向转动角度，直到像分析仪6再次接收到能量最大值，按角放大倍率公式核算值与设计值是否相符；若，对于刻普勒型光路结构，当设计值时，则，此时像分析仪应顺向转动倍；对于伽利略型光路结构，当设计值时，则，此时像分析仪变为逆向转动倍。角放大倍率数值直接影响无焦光路入射光束与出射光束的平行度，若倍率值与设计指标不符，应根据图纸重新检查光学元件的倾斜、偏心及中心间隔尺寸，或者调整拉虚、调焦至理论安装位置，只有当角放大倍率满足光学设计要求指标时，mtf测试才最能反映无焦光路成像质量的优劣。

进行mtf测试

将被测无焦光路与标准镜头7组合等效为无穷远共轭光路结构，进行轴上0w视场mtf测试，测试结果单位为lp/mrad。

将折转平面镜4转动角度，取值为轴外半视场相应角度值的一半，旋转工作台5按照公式计算后转动角度，进行轴外0.7w、轴外1.0w视场mtf测试，测试结果单位为lp/mrad。

按照下面的公式进行lp/mrad与lp/mm单位间相互转化，得出测试结果单位为lp/mm的被测无焦光路轴上0w视场、轴外0.7w、轴外1.0w视场mtf测试结果：式中：为标准镜头焦距，单位mm。

进行mtf测试时，传统无穷远共轭光路的测试模式为infinity，空间频率单位表述为lp/mm，无穷远共轭光路测试模式为afocal，空间频率单位表述为lp/mrad，最后应按照上述公式进行lp/mrad与lp/mm单位间相互转化，得出测试结果单位为lp/mm的被测无焦光路轴上0w视场、轴外0.7w、轴外1.0w视场mtf测试结果。

以焦距为50mm的标准镜头为例，0～0.8lp/mrad所对应的lp/mm值见下表1。

以具有代表性的一套波长为3.7～4.8μm，f为2，角放大倍率为6.5^x的中波红外无焦共轭光路测试为例，测试结果如图6、图7、图8和表2所示，经表1单位转化后的最终测试结果如图9、图10、图11所示。测试结果表明：无焦光路在16lp/mm时，0w处mtf≥0.49，0.7w处mtf≥0.32，1.0w处mtf≥0.13，符合设计指标。

表1lp/mrad与lp/mm单位相互转化对照表

表2中波红外无焦共轭光路mtf测试值

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。