专利名称：一种测量光学系统调制传递函数的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种测量光学系统调制传递函数的装置及其方法。
背景技术：
调制传递函数反映了光学系统或光电系统的频率响应特性，是定量评价光学系统或光电系统成像质量的重要性能指标。
早期的调制传递函数测量采用扫描法，即利用单元探测器在像面上扫描来完成测量。随着CCD、CMOS等面阵探测器的成熟，目前调制传递函数的测量主要采用图像傅立叶分析法，即采用针孔、狭缝等作为靶标，利用CCD或CMOS面阵探测器探测像面光强分布后利用计算机分析处理来完成测量。与扫描法相比，图像傅立叶分析法无需扫描机构，具有测量速度快，装置简单等优点。
由于CCD或CMOS等探测器为离散型器件，根据采样定理，超过面阵探测器的Nyquist频率的图像频谱会发生混叠，因此利用面阵探测器直接接收待测光学系统所成的像来测量调制传递函数时，能够测量的最高频率受限于面阵探测器的Nyquist频率，无法测量待测光学镜头高于Nyquist频率处的调制传递函数值。
为了解决这个问题，目前调制传递函数测量时在面阵探测器之前采用中继放大系统对待测光学系统所成的像进行放大，提高待测光学系统的像面处面阵探测器的采样频率，从而能够测量待测光学镜头高于Nyquist频率处的调制传递函数值。
采用中继放大系统存在以下问题(1)中继放大系统的像质会直接影响到调制传递函数的测量精度；(2)需要对中继系统的放大倍数等参数严格标定，标定误差会带来调制传递函数测量误差的增加；(3)高倍率的中继放大系统会使得探测器像元上的能量减弱，降低了信噪比；(4)采用中继放大系统会带来测量仪器体积和成本的增加。
因此，有必要提供一种调制传递函数的测量装置和测量方法，能够不使用中继放大系统，也能够对待测光学镜头高于Nyquist频率处的调制传递函数值进行测量，即测量的最高频率不受探测器Nyquist频率的限制。
发明内容
本发明目的是提供一种结构简单，便于制造，功能扩展性好，且采样率高的测量光学系统调制传递函数的方法及装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种测量光学系统调制传递函数的装置，它包括目标发生器、焦平面探测器、直线运动平台、探测器驱动及视频采集模块和数据处理系统；所述的目标发生器包括刀口靶标、光源和电机，电机驱动刀口靶标，使刀口靶标的刀口像与面阵探测器的像元排列方向形成夹角β，该夹角满足条件ds＝dsinβ，其中，ds为采样间隔，d为面阵探测器的像元的边长尺寸。
所述的刀口靶标为单刀口靶标或双刀口靶标。
所述的面阵探测器为CCD面阵探测器或CMOS面阵探测器。
本发明还提供一种测量光学系统调制传递函数的方法，包括如下步骤 (1)将待测光学系统置于目标发生器和焦平面探测器之间，并使待测光学系统的光轴和目标发生器的光轴重合； (2)设定刀口靶标的刀口像与面阵探测器的像元排列方向的夹角β，该夹角满足ds＝dsinβ，其中，ds为采样间隔，d为面阵探测器的像元的边长尺寸，电机驱动刀口靶标转动β角度； (3)直线运动平台沿光轴方向移动探测器，使探测器位于待测光学系统的像面处； (4)采集探测器输出的图像数据，经数据处理，得到待测光学系统调制传递函数。
所述的数据处理包括如下步骤 (1)对探测器采集到的刀口像灰度分布进行插值处理，得到采样间隔为ds的刀口像灰度分布曲线，再进行平滑处理，得到待测光学系统的边沿扩散函数，经微分处理后，得到线扩散函数； (2)对线扩散函数进行傅立叶变换，将结果进行取模运算，得到初始的调制传递函数值； (3)将步骤2得到的初始的调制传递函数值去除测试装置本身的调制传递函数值的影响，得到待测光学系统的调制传递函数值。
与现有技术相比，本发明具有如下的特点 1、本发明采用刀口靶标实现过采样技术，提高了采样率，因此，无需采用中继放大系统即可测量出待测光学系统的调制传递函数，可测量的最高频率高于面阵探测器的Nyquist频率，简化了测量系统，避免了仪器制造过程中复杂的装配和校准工作。
2、本发明采用刀口作为靶标，与使用针孔和狭缝靶测量时需根据不同待测镜头的光学参数改变靶标的规格相比，测量时无需更换靶标，测量系统的稳定性高。同时本发明中可以采用双刀口靶标，只需一次测量，即可获得待测光学系统子午和弧矢方向的OTF值。
3、本发明可以通过电机旋转刀口靶标，调整刀口靶标和面阵探测器像元排列方向之间的夹角，根据测量需要改变采样率。
4、本发明结构简单，功能扩展性好，不仅可以测量光学系统的调制传递函数，还可以测量光电系统的调制传递函数。
图1为本发明实施例提供的一种调制传递函数测量装置的结构示意图； 图2为本发明实施例提供的一种调制传递函数测量装置刀口靶标的刀口像与面阵探测器像元的相对位置关系示意图； 图3为本发明实施例提供的一种调制传递函数测量方法的数据处理流程图； 图4为本发明实施例提供的一种调制传递函数测量装置的刀口靶标示意图； 图中1、光源；2、滤光片；3、电机；4、刀口靶标；5、目标发生器；6、准直物镜；7、待测光学系统；8、直线运动平台；9、焦平面探测器；10、探测器驱动及视频采集模块；11、数据处理系统(计算机)；12、刀口靶标的刀口像；13、面阵探测器的像元。
具体实施例方式 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 实施例一参见附图1，它为本实施例提供的调制传递函数测量装置的结构示意图，该装置包括目标发生器5，直线运动平台8，焦平面探测器9，探测器驱动及视频采集模块10，数据处理系统(计算机)11，被测调制传递函数的光学系统7。
目标发生器5用于为调制传递函数测试提供特定的刀口目标，其包括光源1，滤光片2，电机3，刀口靶标4，准直物镜6。其中，刀口靶标置于准直物镜的焦点处，光源用于照明靶标，通过更换不同的滤光片，可是变换目标发生器的输出波长。电机可以带动靶标绕其中心转动，转动的角度由电机精确控制。
焦平面探测器9用于探测待测光学系统对目标发生器中的刀口靶标所成像的光强分布，探测器表面与目标发生器的光轴垂直。焦平面探测器采用CCD面阵探测器或CMOS面阵探测器，面阵探测器的像元，其像元尺寸为d。
参见附图2，它是本实施例提供的一种调制传递函数测量装置刀口靶标的刀口与面阵探测器像元的相对位置关系示意图；当转动角度为0°时，刀口靶标的刀口像12与面阵探测器像元13的排列方向的夹角为0°。转动靶标，可以调整刀口与探测器像元排列方向的夹角β，测量时，该夹角的大小满足ds＝dsinβ，其中，ds为采样间隔，d为面阵探测器的像元尺寸。
直线运动平台8用于带动焦平面探测器沿光轴方向运动，使得探测器位于待测光学系统的焦点处。
焦平面驱动及视频采集模块10包括两部分焦平面驱动电路和视频采集电路。焦平面驱动电路提供焦平面探测器正常工作所需的电源和驱动控制信号，视频采集电路对探测器输出信号进行预处理、缓存等操作，最终将图像数据传输到数据处理系统(计算机)11。
数据处理系统接收图像数据，进行处理，并提供人机界面。计算机软件主要包含的功能模块及各自功能如下 (1)参数设置模块 对测量装置和被测光学系统的参数进行设置。系统参数主要包括照明波长、准直物镜焦距等参数；被测光学系统参数主要包括被测镜头的焦距、f数等参数。
(2)靶标电机和平台电机运动控制模块 根据设定的数值，控制靶标电机的转动角度和直线运动平台的移动距离。
(3)探测器图像采集和显示模块 采集和显示探测器输出的图像，并可对图像的亮度、对比度等进行调节。
(4)MTF计算和MTF曲线显示模块 根据算法计算待测光学系统的MTF值并显示MTF曲线，具体算法在以下步骤四的计算流程中描述。
(5)测试结果的显示、保存和打印模块 利用本实施例所提供的测试装置，测量调制传递函数的测量方法如下 步骤一，将待测光学系统7置于目标发生器和焦平面探测器之间，并使待测光学系统的光轴和目标发生器的光轴重合。
步骤二，设定刀口与面阵探测器像元排列方向的夹角β，并驱动电机转动靶标。
如图2所示，根据刀口像12和面阵探测器像元13的排列方向的夹角β及面阵探测器的像元尺寸d，利用式(1)确定出采样间隔ds。
dS＝dsinβ 步骤三，驱动直线平台电机，沿光轴方向移动探测器，使得探测器上所获得的刀口像最为清晰，此时可认为探测器位于待测光学系统的像面处。
步骤四，采集探测器输出的图像数据，根据附图3的算法流程计算出待测光学系统调制传递函数。具体计算流程如下 对探测器采集到的刀口像灰度分布进行插值得到采样间隔为ds的刀口像灰度分布曲线，并进行平滑处理，得到待测光学系统的边沿扩散函数(ESF)，并进行微分，求出线扩散函数(LSF)； 对线扩散函数进行傅立叶变换，并将结果进行取模运算，得到调制传递函数值MTFR。此时得到的调制传递函数值并不是待测光学系统的调制传递函数值，还需按如下计算进行修正 式中，MTFE是测试装置本身的调制传递函数，去除MTFE的影响后，最终得到待测光学系统的调制传递函数值MTFT。
参见附图4，它是本实施例中各刀口靶标的样式，其中，(a)为单刀口靶标，(b)和(c)为双刀口靶标。利用(a)靶标测量时，一次测量只能得到待测光学系统一个方向的调制传递函数值，若要得到另一个方向的调制传递函数值，需要利用电机将靶标旋转90°后再进行一次测量。利用(b)和(c)进行测量时，只需一次测量，即可同时得到待测光学系统子午和弧矢两个方向的调制传递函数值，有利于快速测量。
权利要求
1.一种测量光学系统调制传递函数的装置，它包括目标发生器(5)、焦平面探测器(9)、直线运动平台(8)、探测器驱动及视频采集模块(10)和数据处理系统(11)；其特征在于所述的目标发生器包括刀口靶标(4)、光源(1)和电机(3)，电机驱动刀口靶标(4)，使刀口靶标的刀口像(12)与面阵探测器的像元(13)排列方向形成夹角β，该夹角满足条件ds＝dsinβ，其中，ds为采样间隔，d为面阵探测器的像元的边长尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种测量光学系统调制传递函数的装置，其特征在于所述的刀口靶标为单刀口靶标或双刀口靶标。
3.根据权利要求1所述的一种测量光学系统调制传递函数的装置，其特征在于所述的面阵探测器为CCD面阵探测器或CMOS面阵探测器。
4.一种测量光学系统调制传递函数的方法，其特征在于包括如下步骤
(1)将待测光学系统(7)置于目标发生器(5)和焦平面探测器(9)之间，并使待测光学系统的光轴和目标发生器的光轴重合；
(2)设定刀口靶标的刀口像(12)与面阵探测器的像元(13)排列方向的夹角β，该夹角满足ds＝dsinβ，其中，ds为采样间隔，d为面阵探测器的像元的边长尺寸，电机驱动刀口靶标(4)转动β角度；
(3)直线运动平台(8)沿光轴方向移动探测器，使探测器位于待测光学系统的像面处；
(4)采集探测器输出的图像数据，经数据处理系统进行处理，得到待测光学系统调制传递函数。
5.根据权利要求4所述的一种测量调制传递函数的方法，其特征在于所述的数据处理包括如下步骤
(1)对探测器采集到的刀口像灰度分布进行插值处理，得到采样间隔为ds的刀口像灰度分布曲线，再进行平滑处理，得到待测光学系统的边沿扩散函数，经微分处理后，得到线扩散函数；
(2)对线扩散函数进行傅立叶变换，将结果进行取模运算，得到初始的调制传递函数值；
(3)将步骤2得到的初始的调制传递函数值去除测试装置本身的调制传递函数值的影响，得到待测光学系统的调制传递函数值。
全文摘要
本发明公开了一种测量光学系统调制传递函数的装置及方法。该装置的目标发生器包括刀口靶标(4)、光源(1)和电机(3)，电机驱动刀口靶标(4)，使刀口靶标的刀口像(12)与面阵探测器的像元(13)排列方向形成夹角β，该夹角满足条件ds＝d sinβ，ds为采样间隔，d为面阵探测器的像元的边长尺寸。测量时，电机驱动刀口靶标(4)转动β角度，经图像数据采集和数据处理，得到待测光学系统调制传递函数。本发明采用刀口靶标实现过采样技术，提高了采样率，因此，无需采用中继放大系统即可测量出待测光学系统的调制传递函数，可测量的最高频率高于面阵探测器的Nyquist频率，简化了测量系统，避免了仪器制造过程中复杂的装配和校准工作。
文档编号G01M11/02GK101813558SQ20101015968
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者陈新华, 周建康, 陈宇恒, 季轶群, 沈为民 申请人:苏州大学