專利名稱：光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)系統(tǒng)，特別是一種用于光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function,以下稱MTF)的測(cè)量?jī)x，是一種通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)圖樣進(jìn)行MTF快速 檢測(cè)的儀器。
背景技術(shù)：
光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是 一種描述光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的物理量，通過(guò)MTF 曲線，可以方便的觀察到系統(tǒng)在不同分辨率(lp/隱)下對(duì)比度的變化情況。目甜，不 論是在一次性的精密光學(xué)元件的集成組裝還是大批量元器件生產(chǎn)的場(chǎng)合，都需要實(shí) 現(xiàn)MTF的在線快速檢測(cè)，傳統(tǒng)的機(jī)械式結(jié)構(gòu)的MTF檢測(cè)方法需要對(duì)檢測(cè)元件進(jìn)行分區(qū) 域掃描，檢測(cè)的效率不高，應(yīng)用受限。Glenn D. Borcm朋在1986年提出的隨機(jī)目標(biāo) 圖法，通過(guò)分析物像頻譜得到了MTF曲線。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x。它應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 化，操作簡(jiǎn)便，很容易得到MTF曲線；通過(guò)調(diào)制不同的測(cè)試圖樣改變輸入圖樣的頻 譜成分，可以對(duì)影響MTF曲線的各種因素進(jìn)行分析，在保證實(shí)驗(yàn)條件下精度也可以 達(dá)到合理的范圍，并且整套裝置成本較低。本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)-一種光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x，其構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)的輸出端接 液晶顯示器，該液晶顯示器、支架和二維彩色CCD位于一基座的一直線上，所述的 二維彩色CCD的輸出端接所述的計(jì)算機(jī)的輸入端，待檢測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)置放在所述的 支架上，調(diào)整使所述的液晶顯示器、待檢測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)和二維彩色CCD同光軸并滿 足成像關(guān)系，所述的計(jì)算機(jī)具有隨機(jī)圖樣生成軟件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。所述的計(jì)算機(jī)由隨機(jī)圖樣生成計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)構(gòu)成。利用本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè) 量方法，包括下列歩驟①測(cè)量前系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作所述的調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)量?jī)x置于避光處，將待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)置于所述的支架上，
經(jīng)調(diào)整，使液品顯示屏、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)和二維彩色ccD的中心位置位r同-光軸上并滿足成像關(guān)系；② 成像后圖像測(cè)量首先通過(guò)具有隨機(jī)圖樣生成軟件的計(jì)算機(jī)生成一幅隨機(jī)噪聲圖，在液晶顯示屏 上顯示，通過(guò)待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)成像在所述的二維彩色CCD上得到成像后圖像，并將成 像圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行顯示，調(diào)節(jié)光學(xué)鏡頭，待成像后圖像清晰成像后捕捉-幀圖像，通過(guò)數(shù)據(jù)線將所得到的成像后圖像傳送到所述的具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件 的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)；③ 數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算成像后圖像的功率譜密度和待測(cè)光學(xué)系 統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)。所述的光學(xué)系統(tǒng)可以使單透鏡，也可以是組合透鏡，組合式光學(xué)鏡頭，測(cè)量時(shí) 需保證液晶顯示屏與基座垂直，調(diào)整待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)和————.維彩色CCD的光軸，使其垂 直于液晶顯示屏，調(diào)節(jié)要使得由計(jì)算機(jī)觀察到的圖像清晰。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序牛:成的 檢測(cè)圖像可以包含不同頻率、不同顏色，所以可以很方便對(duì)影響調(diào)制傳遞函數(shù)的沐i 素進(jìn)行分析。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1. 接收端不需要掃描，因而簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的測(cè)量裝置；操作簡(jiǎn)便，通過(guò) 一次測(cè)躍: 就可以得到MTF曲線。2. 通過(guò)計(jì)算機(jī)，調(diào)制各種圖樣(包含不同的頻譜，顏色)改變輸入圖像，口T以 對(duì)影響MTF曲線的各種因素進(jìn)行分析。3. 在保證實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量的精度可以控制在合理的范圍，并且整套裝置成本 較低，是一種具有很大前景的測(cè)量?jī)x。


圖1本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x的光路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中100具有隨機(jī)圖樣生成軟件的計(jì)算機(jī)，101液品顯示屏，102待測(cè)光學(xué)系 統(tǒng)，103二維彩色CCD， 104基座，105數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，106支架 圖2為本實(shí)用新型采用的隨機(jī)噪聲圖的功率譜密度曲線示意圖。 圖3為成像后的隨機(jī)噪聲圖的功率譜密度曲線示意圖。 圖4為由隨機(jī)噪聲圖功率譜密度計(jì)算得到的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線 圖5為純白圖像成像后圖像的功率譜密度曲線示意圖圖6為本實(shí)用新型檢測(cè)不同顏色輸入的MTF曲線小意圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型測(cè)量?jī)x的工作過(guò)程作進(jìn)一歩詳細(xì)描述。 先請(qǐng)參閱圖1，圖1本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x一個(gè)實(shí)施例的光 路結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x的構(gòu)成包括隨 機(jī)圖樣生成計(jì)算機(jī)100，該計(jì)算機(jī)的輸出端接液晶顯小二屏101，該液品顯&屏101、 支架106和二維彩色CCD103位于一基座104的一 良線匕所述的—:維彩色CCD103 的輸出端接數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)105的輸入端，待測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)102置放在所述的支架 106上，調(diào)整使所述的液晶顯示屏101、待測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)102和二維彩色CCD103同 光軸并滿足成像關(guān)系，所述的計(jì)算機(jī)具有隨機(jī)圖樣生成軟件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。 所述的待測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)102可為單透鏡、或多透鏡組合鏡頭。 利用本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè) 量方法，包括下列歩驟① 測(cè)量前系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作將所述的調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)量?jī)x置于避光處，將待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)102置于所述的 支架106上，經(jīng)調(diào)整，使液晶顯示屏101、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)102和二維彩色CCD103 的中心位置位于同一光軸上并滿足成像關(guān)系；② 成像后圖像測(cè)量如圖1，首先通過(guò)具有隨機(jī)圖樣生成軟件的計(jì)算機(jī)100由Matlab生成一幅隨機(jī) 噪聲圖，在液晶顯示屏101上顯示，通過(guò)待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)102成像在所述的二維彩色 CCD103上得到成像后圖像，并將成像圖像傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)105內(nèi)進(jìn)行顯小-， 調(diào)節(jié)待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)102，待清晰成像后，捕捉一幀成像后圖像傳送到數(shù)據(jù)處理訃算 機(jī)(105);③ 數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(105)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算成像后圖像的功率譜密度和待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)。光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF,由線性系統(tǒng)理論，成像甜后圖像滿足公式尸U游^,尸幼， (i)其中尸SA,一,為檢測(cè)圖像的功率譜密度(Power spectral density,以下簡(jiǎn)稱PSD)，戶SD,。,，為成像后圖像的功率譜密度，MrF，為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，由(0式可知光學(xué)系統(tǒng)102的調(diào)制傳遞函數(shù)層，=#叫，;脂— (2)圖像的功率譜密度的具體計(jì)算方法如下長(zhǎng)度為N的離散函數(shù)g[n]， (n=l， 2，…N)，根據(jù)功率譜密度定義，功率譜密 度為函數(shù)g[n]的傅立葉變換的模平方，再除以數(shù)組長(zhǎng)度尸SD , , = J——、"" (3)設(shè)二元函數(shù)f(x， y)代表一幅圖像，在計(jì)算機(jī)內(nèi)，f(x， y)被離散化為二維數(shù)組f(m， n)，取x方向第i行數(shù)據(jù)f(i， n)，即f(i， 1)、 f(i， 2).…f(i， N)，由公式3知，第i行 的功率譜密度，"川J顯，"])L，在y方向上作M次平均，即得到圖像f(x， y)在x軸方向的平均功率譜密度，.r = $ ， (4)MTF計(jì)算過(guò)程采用隨機(jī)噪聲圖作為檢測(cè)圖樣是因?yàn)?，根?jù)隨機(jī)原理，隨機(jī)噪聲的功率譜密度 在各頻率處值都為1，圖2是本實(shí)用新型采用的隨機(jī)噪聲圖的功率譜密度曲線示意 圖，由圖2可以看出，采用Matlab生成的隨機(jī)噪聲閣的功率譜密度在"1"值附近 微小波動(dòng)。所以一般情況下可以直接采用成像后輸出圖像的功率譜密度曲線進(jìn)行 MTF計(jì)算，對(duì)結(jié)果的影響很小，從而達(dá)到簡(jiǎn)化測(cè)量的目的。此時(shí)，公式2簡(jiǎn)化為游 、="，. (5)圖3是根據(jù)公式4繪制的曲線，即隨機(jī)噪聲圖通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后的功率譜密度示意圖，由公式5知，光學(xué)系統(tǒng)的x軸方向MTF計(jì)算公式M7F =^PSDT ，繪制曲線如圖4所示；采用Matlab自帶的函數(shù)polyfit對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合 后得到的光滑曲線如圖4所示。
誤差分析本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x可以對(duì)山背景噪聲引起的影響進(jìn)行測(cè) 量分析。因?yàn)榧兩珗D像的功率譜不包含任何的高頻成分，所以采用一幅純白圖像作為檢 測(cè)輸入，經(jīng)系統(tǒng)成像后的圖像的功率譜密度曲線如圖5所-小，與圖2對(duì)比，可以看 出外界的噪聲影響對(duì)于引入光學(xué)系統(tǒng)的誤差最大不超過(guò)3%，所以本實(shí)用新型方法的 測(cè)量能夠保證足夠的測(cè)量精度。本實(shí)用新型的測(cè)量應(yīng)用本實(shí)用新型的測(cè)量系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)改變輸入圖樣，達(dá)到觀察MTF曲線 變化趨勢(shì)的目的，下面舉例分析某一鏡頭對(duì)不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)變化情況。在可見光內(nèi)，不同波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)不同的顏色，因此可以采取不同顏色的圖像作 為輸入，采用不同波長(zhǎng)的光對(duì)于待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的輸入。如圖6，取三幅分別只包含 紅、藍(lán)、綠顏色的噪聲圖作為輸入檢測(cè)圖像，經(jīng)系統(tǒng)成像后按照上述的計(jì)算方法得 到三條對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的系統(tǒng)MTF曲線，如圖6所示，山圖6町以看出，改系統(tǒng)對(duì)于 不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)是略有不同的，在這串.是對(duì)綠色的光更為敏感。
權(quán)利要求1.一種光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x，特征在于其構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)的輸出端接液晶顯示器(101)，該液晶顯示器(101)、支架(106)和二維彩色CCD(103)位于一基座(104)的一直線上，所述的二維彩色CCD(103)的輸出端接所述的計(jì)算機(jī)的輸入端，待測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)(102)置放在所述的支架(106)上，調(diào)整使所述的液晶顯示器(101)、待測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)(102)和二維彩色CCD(103)同光軸并滿足成像關(guān)系，所述的計(jì)算機(jī)具有隨機(jī)圖樣生成軟件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的計(jì) 算機(jī)由隨機(jī)圖樣生成計(jì)算機(jī)(100)和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(105)構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的待 測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)(102)為單透鏡、或多透鏡組合鏡頭。
專利摘要一種用于光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x，本測(cè)量?jī)x由計(jì)算機(jī)及其液晶顯示屏，支架，二維彩色CCD和基座組成。測(cè)量原理是利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲圖作為檢測(cè)輸入，通過(guò)分析成像前后圖像的功率譜密度，本實(shí)用新型只需一次測(cè)量就可快速檢測(cè)得到光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線。該儀器通過(guò)計(jì)算機(jī)程序改變檢測(cè)輸入圖像，不僅具有快速檢測(cè)的特點(diǎn)，也可以方便分析影響調(diào)制傳遞函數(shù)的各種因素。
文檔編號(hào)G01M11/00GK201043930SQ200620048728
公開日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者朱健強(qiáng), 罡 趙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所