專利名稱：一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的裝置及其方法。

背景技術(shù)：
調(diào)制傳遞函數(shù)反映了光學(xué)系統(tǒng)或光電系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，是定量評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)或光電系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要性能指標(biāo)。
早期的調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量采用掃描法，即利用單元探測(cè)器在像面上掃描來(lái)完成測(cè)量。隨著CCD、CMOS等面陣探測(cè)器的成熟，目前調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)量主要采用圖像傅立葉分析法，即采用針孔、狹縫等作為靶標(biāo)，利用CCD或CMOS面陣探測(cè)器探測(cè)像面光強(qiáng)分布后利用計(jì)算機(jī)分析處理來(lái)完成測(cè)量。與掃描法相比，圖像傅立葉分析法無(wú)需掃描機(jī)構(gòu)，具有測(cè)量速度快，裝置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
由于CCD或CMOS等探測(cè)器為離散型器件，根據(jù)采樣定理，超過(guò)面陣探測(cè)器的Nyquist頻率的圖像頻譜會(huì)發(fā)生混疊，因此利用面陣探測(cè)器直接接收待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)所成的像來(lái)測(cè)量調(diào)制傳遞函數(shù)時(shí)，能夠測(cè)量的最高頻率受限于面陣探測(cè)器的Nyquist頻率，無(wú)法測(cè)量待測(cè)光學(xué)鏡頭高于Nyquist頻率處的調(diào)制傳遞函數(shù)值。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量時(shí)在面陣探測(cè)器之前采用中繼放大系統(tǒng)對(duì)待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)所成的像進(jìn)行放大，提高待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的像面處面陣探測(cè)器的采樣頻率，從而能夠測(cè)量待測(cè)光學(xué)鏡頭高于Nyquist頻率處的調(diào)制傳遞函數(shù)值。
采用中繼放大系統(tǒng)存在以下問(wèn)題(1)中繼放大系統(tǒng)的像質(zhì)會(huì)直接影響到調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)量精度；(2)需要對(duì)中繼系統(tǒng)的放大倍數(shù)等參數(shù)嚴(yán)格標(biāo)定，標(biāo)定誤差會(huì)帶來(lái)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量誤差的增加；(3)高倍率的中繼放大系統(tǒng)會(huì)使得探測(cè)器像元上的能量減弱，降低了信噪比；(4)采用中繼放大系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)測(cè)量?jī)x器體積和成本的增加。
因此，有必要提供一種調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)量裝置和測(cè)量方法，能夠不使用中繼放大系統(tǒng)，也能夠?qū)Υ郎y(cè)光學(xué)鏡頭高于Nyquist頻率處的調(diào)制傳遞函數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，即測(cè)量的最高頻率不受探測(cè)器Nyquist頻率的限制。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，功能擴(kuò)展性好，且采樣率高的測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法及裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的裝置，它包括目標(biāo)發(fā)生器、焦平面探測(cè)器、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)及視頻采集模塊和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述的目標(biāo)發(fā)生器包括刀口靶標(biāo)、光源和電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀口靶標(biāo)，使刀口靶標(biāo)的刀口像與面陣探測(cè)器的像元排列方向形成夾角β，該夾角滿足條件ds＝dsinβ，其中，ds為采樣間隔，d為面陣探測(cè)器的像元的邊長(zhǎng)尺寸。
所述的刀口靶標(biāo)為單刀口靶標(biāo)或雙刀口靶標(biāo)。
所述的面陣探測(cè)器為CCD面陣探測(cè)器或CMOS面陣探測(cè)器。
本發(fā)明還提供一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法，包括如下步驟 (1)將待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)置于目標(biāo)發(fā)生器和焦平面探測(cè)器之間，并使待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸和目標(biāo)發(fā)生器的光軸重合； (2)設(shè)定刀口靶標(biāo)的刀口像與面陣探測(cè)器的像元排列方向的夾角β，該夾角滿足ds＝dsinβ，其中，ds為采樣間隔，d為面陣探測(cè)器的像元的邊長(zhǎng)尺寸，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀口靶標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)β角度； (3)直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿光軸方向移動(dòng)探測(cè)器，使探測(cè)器位于待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的像面處； (4)采集探測(cè)器輸出的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)。
所述的數(shù)據(jù)處理包括如下步驟 (1)對(duì)探測(cè)器采集到的刀口像灰度分布進(jìn)行插值處理，得到采樣間隔為ds的刀口像灰度分布曲線，再進(jìn)行平滑處理，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的邊沿?cái)U(kuò)散函數(shù)，經(jīng)微分處理后，得到線擴(kuò)散函數(shù)； (2)對(duì)線擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換，將結(jié)果進(jìn)行取模運(yùn)算，得到初始的調(diào)制傳遞函數(shù)值； (3)將步驟2得到的初始的調(diào)制傳遞函數(shù)值去除測(cè)試裝置本身的調(diào)制傳遞函數(shù)值的影響，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的特點(diǎn) 1、本發(fā)明采用刀口靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣技術(shù)，提高了采樣率，因此，無(wú)需采用中繼放大系統(tǒng)即可測(cè)量出待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，可測(cè)量的最高頻率高于面陣探測(cè)器的Nyquist頻率，簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)，避免了儀器制造過(guò)程中復(fù)雜的裝配和校準(zhǔn)工作。
2、本發(fā)明采用刀口作為靶標(biāo)，與使用針孔和狹縫靶測(cè)量時(shí)需根據(jù)不同待測(cè)鏡頭的光學(xué)參數(shù)改變靶標(biāo)的規(guī)格相比，測(cè)量時(shí)無(wú)需更換靶標(biāo)，測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性高。同時(shí)本發(fā)明中可以采用雙刀口靶標(biāo)，只需一次測(cè)量，即可獲得待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)子午和弧矢方向的OTF值。
3、本發(fā)明可以通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)刀口靶標(biāo)，調(diào)整刀口靶標(biāo)和面陣探測(cè)器像元排列方向之間的夾角，根據(jù)測(cè)量需要改變采樣率。
4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能擴(kuò)展性好，不僅可以測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，還可以測(cè)量光電系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)。



圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置刀口靶標(biāo)的刀口像與面陣探測(cè)器像元的相對(duì)位置關(guān)系示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量方法的數(shù)據(jù)處理流程圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置的刀口靶標(biāo)示意圖； 圖中1、光源；2、濾光片；3、電機(jī)；4、刀口靶標(biāo)；5、目標(biāo)發(fā)生器；6、準(zhǔn)直物鏡；7、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)；8、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；9、焦平面探測(cè)器；10、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)及視頻采集模塊；11、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(計(jì)算機(jī))；12、刀口靶標(biāo)的刀口像；13、面陣探測(cè)器的像元。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實(shí)施例一參見(jiàn)附圖1，它為本實(shí)施例提供的調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包括目標(biāo)發(fā)生器5，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8，焦平面探測(cè)器9，探測(cè)器驅(qū)動(dòng)及視頻采集模塊10，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(計(jì)算機(jī))11，被測(cè)調(diào)制傳遞函數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)7。
目標(biāo)發(fā)生器5用于為調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)試提供特定的刀口目標(biāo)，其包括光源1，濾光片2，電機(jī)3，刀口靶標(biāo)4，準(zhǔn)直物鏡6。其中，刀口靶標(biāo)置于準(zhǔn)直物鏡的焦點(diǎn)處，光源用于照明靶標(biāo)，通過(guò)更換不同的濾光片，可是變換目標(biāo)發(fā)生器的輸出波長(zhǎng)。電機(jī)可以帶動(dòng)靶標(biāo)繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由電機(jī)精確控制。
焦平面探測(cè)器9用于探測(cè)待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)發(fā)生器中的刀口靶標(biāo)所成像的光強(qiáng)分布，探測(cè)器表面與目標(biāo)發(fā)生器的光軸垂直。焦平面探測(cè)器采用CCD面陣探測(cè)器或CMOS面陣探測(cè)器，面陣探測(cè)器的像元，其像元尺寸為d。
參見(jiàn)附圖2，它是本實(shí)施例提供的一種調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置刀口靶標(biāo)的刀口與面陣探測(cè)器像元的相對(duì)位置關(guān)系示意圖；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°時(shí)，刀口靶標(biāo)的刀口像12與面陣探測(cè)器像元13的排列方向的夾角為0°。轉(zhuǎn)動(dòng)靶標(biāo)，可以調(diào)整刀口與探測(cè)器像元排列方向的夾角β，測(cè)量時(shí)，該夾角的大小滿足ds＝dsinβ，其中，ds為采樣間隔，d為面陣探測(cè)器的像元尺寸。
直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8用于帶動(dòng)焦平面探測(cè)器沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，使得探測(cè)器位于待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)處。
焦平面驅(qū)動(dòng)及視頻采集模塊10包括兩部分焦平面驅(qū)動(dòng)電路和視頻采集電路。焦平面驅(qū)動(dòng)電路提供焦平面探測(cè)器正常工作所需的電源和驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，視頻采集電路對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、緩存等操作，最終將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)(計(jì)算機(jī))11。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并提供人機(jī)界面。計(jì)算機(jī)軟件主要包含的功能模塊及各自功能如下 (1)參數(shù)設(shè)置模塊 對(duì)測(cè)量裝置和被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)參數(shù)主要包括照明波長(zhǎng)、準(zhǔn)直物鏡焦距等參數(shù)；被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)主要包括被測(cè)鏡頭的焦距、f數(shù)等參數(shù)。
(2)靶標(biāo)電機(jī)和平臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊 根據(jù)設(shè)定的數(shù)值，控制靶標(biāo)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)距離。
(3)探測(cè)器圖像采集和顯示模塊 采集和顯示探測(cè)器輸出的圖像，并可對(duì)圖像的亮度、對(duì)比度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。
(4)MTF計(jì)算和MTF曲線顯示模塊 根據(jù)算法計(jì)算待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的MTF值并顯示MTF曲線，具體算法在以下步驟四的計(jì)算流程中描述。
(5)測(cè)試結(jié)果的顯示、保存和打印模塊 利用本實(shí)施例所提供的測(cè)試裝置，測(cè)量調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)量方法如下 步驟一，將待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)7置于目標(biāo)發(fā)生器和焦平面探測(cè)器之間，并使待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸和目標(biāo)發(fā)生器的光軸重合。
步驟二，設(shè)定刀口與面陣探測(cè)器像元排列方向的夾角β，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)靶標(biāo)。
如圖2所示，根據(jù)刀口像12和面陣探測(cè)器像元13的排列方向的夾角β及面陣探測(cè)器的像元尺寸d，利用式(1)確定出采樣間隔ds。
dS＝dsinβ 步驟三，驅(qū)動(dòng)直線平臺(tái)電機(jī)，沿光軸方向移動(dòng)探測(cè)器，使得探測(cè)器上所獲得的刀口像最為清晰，此時(shí)可認(rèn)為探測(cè)器位于待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的像面處。
步驟四，采集探測(cè)器輸出的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)附圖3的算法流程計(jì)算出待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)。具體計(jì)算流程如下 對(duì)探測(cè)器采集到的刀口像灰度分布進(jìn)行插值得到采樣間隔為ds的刀口像灰度分布曲線，并進(jìn)行平滑處理，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的邊沿?cái)U(kuò)散函數(shù)(ESF)，并進(jìn)行微分，求出線擴(kuò)散函數(shù)(LSF)； 對(duì)線擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換，并將結(jié)果進(jìn)行取模運(yùn)算，得到調(diào)制傳遞函數(shù)值MTFR。此時(shí)得到的調(diào)制傳遞函數(shù)值并不是待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值，還需按如下計(jì)算進(jìn)行修正 式中，MTFE是測(cè)試裝置本身的調(diào)制傳遞函數(shù)，去除MTFE的影響后，最終得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值MTFT。
參見(jiàn)附圖4，它是本實(shí)施例中各刀口靶標(biāo)的樣式，其中，(a)為單刀口靶標(biāo)，(b)和(c)為雙刀口靶標(biāo)。利用(a)靶標(biāo)測(cè)量時(shí)，一次測(cè)量只能得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)一個(gè)方向的調(diào)制傳遞函數(shù)值，若要得到另一個(gè)方向的調(diào)制傳遞函數(shù)值，需要利用電機(jī)將靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)90°后再進(jìn)行一次測(cè)量。利用(b)和(c)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只需一次測(cè)量，即可同時(shí)得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)子午和弧矢兩個(gè)方向的調(diào)制傳遞函數(shù)值，有利于快速測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的裝置，它包括目標(biāo)發(fā)生器(5)、焦平面探測(cè)器(9)、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(8)、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)及視頻采集模塊(10)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(11)；其特征在于所述的目標(biāo)發(fā)生器包括刀口靶標(biāo)(4)、光源(1)和電機(jī)(3)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀口靶標(biāo)(4)，使刀口靶標(biāo)的刀口像(12)與面陣探測(cè)器的像元(13)排列方向形成夾角β，該夾角滿足條件ds＝dsinβ，其中，ds為采樣間隔，d為面陣探測(cè)器的像元的邊長(zhǎng)尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的裝置，其特征在于所述的刀口靶標(biāo)為單刀口靶標(biāo)或雙刀口靶標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的裝置，其特征在于所述的面陣探測(cè)器為CCD面陣探測(cè)器或CMOS面陣探測(cè)器。
4.一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法，其特征在于包括如下步驟
(1)將待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)(7)置于目標(biāo)發(fā)生器(5)和焦平面探測(cè)器(9)之間，并使待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸和目標(biāo)發(fā)生器的光軸重合；
(2)設(shè)定刀口靶標(biāo)的刀口像(12)與面陣探測(cè)器的像元(13)排列方向的夾角β，該夾角滿足ds＝dsinβ，其中，ds為采樣間隔，d為面陣探測(cè)器的像元的邊長(zhǎng)尺寸，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀口靶標(biāo)(4)轉(zhuǎn)動(dòng)β角度；
(3)直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(8)沿光軸方向移動(dòng)探測(cè)器，使探測(cè)器位于待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的像面處；
(4)采集探測(cè)器輸出的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種測(cè)量調(diào)制傳遞函數(shù)的方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理包括如下步驟
(1)對(duì)探測(cè)器采集到的刀口像灰度分布進(jìn)行插值處理，得到采樣間隔為ds的刀口像灰度分布曲線，再進(jìn)行平滑處理，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的邊沿?cái)U(kuò)散函數(shù)，經(jīng)微分處理后，得到線擴(kuò)散函數(shù)；
(2)對(duì)線擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換，將結(jié)果進(jìn)行取模運(yùn)算，得到初始的調(diào)制傳遞函數(shù)值；
(3)將步驟2得到的初始的調(diào)制傳遞函數(shù)值去除測(cè)試裝置本身的調(diào)制傳遞函數(shù)值的影響，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的裝置及方法。該裝置的目標(biāo)發(fā)生器包括刀口靶標(biāo)(4)、光源(1)和電機(jī)(3)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀口靶標(biāo)(4)，使刀口靶標(biāo)的刀口像(12)與面陣探測(cè)器的像元(13)排列方向形成夾角β，該夾角滿足條件ds＝d sinβ，ds為采樣間隔，d為面陣探測(cè)器的像元的邊長(zhǎng)尺寸。測(cè)量時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀口靶標(biāo)(4)轉(zhuǎn)動(dòng)β角度，經(jīng)圖像數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)。本發(fā)明采用刀口靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣技術(shù)，提高了采樣率，因此，無(wú)需采用中繼放大系統(tǒng)即可測(cè)量出待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，可測(cè)量的最高頻率高于面陣探測(cè)器的Nyquist頻率，簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)，避免了儀器制造過(guò)程中復(fù)雜的裝配和校準(zhǔn)工作。
文檔編號(hào)G01M11/02GK101813558SQ20101015968
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者陳新華, 周建康, 陳宇恒, 季軼群, 沈?yàn)槊?申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)