系统好不好，星星告诉你：星点法的原理，装置与应用

在天文望远镜测试、镜头装调、精密光学系统调焦等场合，星点法是一种既简单又直接的判断方法。

星点法（Star Test）：通过观察和分析点光源在成像系统中的图像（即“星点图”）来判断系统的成像质量。通过观察探测器上的星点图像，可以直观判断系统存在何种像差，是否接近衍射极限。如何判断点列图的像差种类，请参考上一篇文章的讨论，快速掌握主要像差。

同时，星点图是光学系统点扩散函数（PSF）的直接表现。通过星点法，可以测量系统的响应函数，即系统对一个理想点源的成像响应。根据信号处理原理，系统的输出可视为输入信号与系统响应函数的卷积。对于光学系统而言，这意味着目标在探测器上的图像是目标本身与点扩散函数卷积后的结果。

星点法测试装置：

星点法测试装置主要由点光源和光源发射装置组成。点光源可以采用针孔或者单模光纤，光源发射装置可以采用平行光管或者反置望远镜。将点光源放置于平行光管或者反置望远系统的焦面上，这样系统的出射光即为平行光束，可以用来模拟无限远的目标，即星点。如果点光源可以在X/Y平面进行移动，那么则可以模拟出离轴视场上的点光源。

最近正在测试一套F/2.8，焦距400mm的望远镜头。目的是分析系统的成像质量，并测试其他附加光学元件（窗口玻璃、滤光片）对系统效率以及成像质量的影响，于是搭建了简易星点测试装置。通过星点的测试图像，结合Python程序，进行了测试分析。

本文主要介绍搭建的简易星点测试装置，以及实际测试中的一些实验技巧与体会。帮助读者朋友温习一下经典的星点测试法，并启发大家利用装置进行延伸应用。

实验装置：

点光源采用了单模光纤，纤芯约为6微米。光纤输入端，通过反置的光纤准直镜将激光耦合进单模光纤，出射端口用于模拟点光源。

将望远镜反置，光纤的出射端置于望远镜的焦点位置，那么望远镜的出射光即为平行光束。这里需要一些辅助工具判断出射光是否平行，例如装调望远镜，自准直仪等。我的装置中，则使用了另外一个相同的望远镜头，将其调焦至无限远。手动移动光纤出口的位置，当探测器上成清晰像时，可以认为点光源已置于反置望远镜的焦点处。

下图为1:1的望远系统拍摄的星点图。根据参数计算，可以认为测试系统成像质量较好，但是有一点慧差（目前主要受装调设备的限制，若采用精确调节装置，像差会得到改进或消除）。

星点图分析：

根据星点图可以计算系统的PFS函数，将其与光纤的芯径进行卷积，则可以计算出光纤芯径在探测器上的FWHM。将模拟值与实测的星点图对比，可以看出二者较为接近。

星点测试系统特点：

在测试过程中，感觉到星点法确实非常敏感。这需要有稳定的测试环境，并且操作过程中需要格外小心，避免引入人为误差。同时，敏感的特性也使该装置更灵敏、测量精度更高。例如，在望远镜前加入了平面窗口玻璃，由于窗口与光轴有微小角度，所以星点图明显引入了慧差。

此外，系统的效率超出了预期。光纤输入端使用了普通光纤准直镜（反置）将自由空间的激光束耦合进单模光纤，理论上耦合效率应较低。用肉眼观察光纤输出端时，只能看到微弱的光。然而，在拍摄上述图片时，激光器的输出功率被调至最小（受限于激光器，最小值为0.1W），并故意将激光器与光纤准直镜保持离轴状态，以降低耦合效率，否则，星点图像会出现饱和。

应用场景：

星点法不仅用于系统装调，还可以进行成品质量检验、设计验证、辅助成像质量自动识别等。希望本文的讲解与分享，对读者有所启发。

其他测试：

利用本文的简易星点装置，还测试了几个机器视觉的镜头，测试装置和结果如下。这里不做更多解释，感兴趣或者有问题的朋友，可以留言区讨论。

#星点法，#分辨率检测，#PSF，#平行光管