CN101532908A - 离散成像器件统计调制传递函数激光散斑测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离散成像器件统计调制传递函数激光散斑测量方法和装置，属于光电成像器件成像质量测试技术领域。本发明的测量装置由激光器、激光扩束镜、随机散射体、孔径光阑、偏振片、待测量离散成像器件和带有图像采集卡的计算机组成。测量方法是将散斑投射到离散成像器件靶面上做为输入，离散成像器件采取散斑图即为输出，通过输入和输出的功率谱对比，得到离散成像器件的统计调制传递函数；输入的功率谱密度由散射体出射平面的孔径光阑的大小和离散探测器阵列的位置决定，探测到的功率谱密度经过数据处理可以得到。本发明不需要成像镜头可以直接测量离散成像器件的统计调制传递函数，具有其他方法不具备的优点。

Description

离散成像器件统计调制传递函数激光散斑测量方法和装置

技术领域

本发明属于光电成像器件成像质量测试技术领域，是一种可实现非空间平移不变性离散成像器件统计调制传递函数测量的方法，可以快速测量离散成像器件的调制传递函数(MTF)，其可用于光电离散成像器件产品成像质量评定。

背景技术

调制传递函数(MTF)是一种描述光学系统成像质量的物理量，被普遍认为是评价光学系统成像质量较为完善的指标，其概念是建立在空间不变线性系统之上。对于离散成像器件来讲，由于其包含离散采样像元阵列，驱动电路以及A/D转换和图像采集卡等非线性组成部分，离散成像器件不具备严格的空间不变性。

因此，对于离散光电成像器件调制传递函数的测量，需要采取一些特殊的方法。目前可见报道的有微米级机械扫描法，光栅调制度法，随机图像(条纹)法等。这些方法都需要使用成像镜头，这就对调制传递函数测量装置的物象关系有严格要求，MTF的测量结果中，包含了成像镜头的MTF，不能直接用于评价离散成像器件。而只能首先测量出光电成像系统的调制传递函数，然后间接计算出离散成像器件的调制传递函数。

散斑是一种典型的统计光学现象，相干光通过粗糙表面散射就形成散斑。七十年代以来，关于散斑特性研究，大大的丰富了散斑的理论体系和应用范围。散斑理论表明，当相干光通过随机散射体后，其功率普密度由散射体出射平面通光孔径决定。将激光散斑应用于离散成像器件统计调制传递函数测量能够实现直接测量，此方法未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足而提供一种离散成像器件统计调制传递函数激光散斑测量方法和装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

本发明提供的一种离散成像器件统计调制传递函数激光散斑测量方法，是将散斑投射到离散成像器件靶面上做为输入，离散成像器件采取散斑图即为输出，通过输入和输出的功率谱对比，得到离散成像器件的统计调制传递函数，具体测量过程为：

首先将离散成像器件统计调制传递函数测量装置置于避光处，将激光器，激光扩束镜，随机散射体、孔径光阑、偏振片，待测量离散成像器件依次置于同一条直线上，保证其共光轴。孔径光阑紧贴随机散射体出射表面，偏振片置于孔径光阑之后，紧贴孔径光阑。

其次调整随机散射体出射平面孔径光阑的直径大小和待测离散成像器件的位置，使投射到离散成像器件靶面上的散斑的功率谱密度截止频率足够高，在器件奈奎斯特频率的两倍处降为零。

再次将计算机和图像采集卡采集离散成像器件探测到的激光散斑图，经过数据处理得到散斑图的功率谱密度，与输入激光散斑功率谱密度对比即得到离散成像器件的调制传递函数。

本发明提供的一种激光散斑法测量离散成像器件的统计调制传递函数测量装置，包括激光器、激光扩束镜、随机散射体、孔径光阑、偏振片、待测量离散成像器件、带有图像采集卡的计算机和显示器；其连接关系是：上述器件依次放置在平面上，其中所述孔径光阑紧贴随机散射体出射表面，偏振片置于孔径光阑之后，紧贴孔径光阑；激光扩束镜、随机散射体、偏振片、待测量离散成像器件共光轴；待测量离散成像器件通过图像采集卡连接到计算机上；所述计算机包含相应图像采集和数据处理软件。

所述随机散射体可以是毛玻璃，也可以是随机微透镜阵列或者积分球。

该测量装置结构简单，操作简便，一次采图即可得到离散成像器件的MTF；通过改变散射体出射平面孔径的大小或者离散成像器件的位置即可测量不同的离散成像器件的MTF。

本发明的工作过程为：激光器发出的激光，经过激光扩束镜扩束后，照射到随机散射体上产生散斑，通过调整散斑出射面孔径的大小和离散成像器件的位置，可以调整照射到离散成像器件上激光散斑的功率谱密度(PSD)，通过对接收到的图像进行频谱分析，对比输入的PSD，即可得到离散成像器件的统计调制传递函数(MTF)。

本发明具有以下优点

1.测量过程不需要成像镜头，可直接测量出离散成像器件的MTF；

2.与刀口等方法对比该测量装置简单，接收端不需要进行微米级扫描；

3.由于激光散斑里包含丰富的频率信息，具有各态遍历性，一次采图测量即可得到离散成像器件的统计调制传递函数；

4.通过改变数据处理方式，可以获得整个离散探测器阵列的调制传递函数或者某一区域的调制传递函数。

附图说明

图1为本发明装置实施例的方案图，其中，1-激光器、2-激光扩束镜、3-随机散射体、4-孔径光阑、5-偏振片、6-待测量离散成像器件、7-计算机。

图2为散射体出射面孔径光阑为圆形时投射到离散成像器件靶面上的功率谱密度曲线；

图3为计算得到的MTF。

图4为多项式最小二乘拟合后的MTF曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的测量方法和装置做进一步详细描述。

参阅图1，图1是本发明实施例的一个结构图。由图可见，本发明离散成像器件统计调制传递函数测量装置包括偏振光源发生装置激光器1、激光扩束镜子2、随机散射体3、孔径光阑4、偏振片5、待测量离散成像器件6，调整所述装置位于同一条直线上，满足共光轴条件，孔径光阑紧贴随机散射体出射表面，偏振片置于孔径光阑之后，紧贴孔径光阑，所述计算机包含图像采集卡(配套有图像采集软件)和相应的散斑图数据处理软件。

利用本发明离散成像器件统计调制传递函数测量装置测量统计调制传递函数的测量方法包含以下主要步骤：

(1)将所述的离散成像器件统计调制传递函数测量装置置于避光处，调整激光器1，激光扩束镜2，随机散射体3，偏振片5，待测量离散成像器件6置于同一条直线上，使其保证共光轴。

(2)调整随机散射体出射平面孔径光阑4的直径大小和待测离散成像器件的位置，使投射到离散成像器件靶面上的散斑的功率谱密度截止频率足够高，在器件奈奎斯特频率的两倍处降为零。

假设待测量离散成像器件的像元尺寸为Δx，则其奈奎斯特频率为：

$N_y=\frac{1}{2\mathrm{\Δx}}---\left(1\right)$

激光通过随机散射体产生的散斑通过孔径光阑后投射到离散成像器件靶面时的功率谱密度由散斑光强的自相关函数经傅立叶变换后可以得到。当散射体出射平面孔径光阑为圆形时，其功率谱密度在一维上(以x方向为例)的表达式为：

${\mathrm{PSD}}_{\mathrm{in}}=I_0^2\left(\frac{\mathrm{\λZ}}{D}\right)\·\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}[{\cos }^{-1}\frac{\mathrm{\λZ}}{D}{f}_x-\frac{\mathrm{\λZ}}{D}{f}_x\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λZ}}{D}{f}_x\right)}^2}]---\left(2\right)$

曲线如图2所示。其截止频率f_c为

$f_c=\frac{D}{\mathrm{\λZ}}---\left(3\right)$

令截止频率等于两倍的奈奎斯特频率可得

$\frac{D}{Z}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δx}}---\left(4\right)$

在上述诸式中，D为散射体出色面孔径光阑的直径，λ为光波的波长，Z为散射体出射面到离散成像器件靶面的距离。在实际的测量过程中，光波波长和象元尺寸都是已知的，适当选取D(要大于带测量离散成像器件的靶面尺寸)，根据公式(4)就可以计算出散射体出射表面到离散成像器件靶面的距离。

(3)通过计算机和图像采集卡采集离散成像器件探测到的激光散斑图，通过对散斑图的数据处理得到散斑图的功率谱密度，与输入激光散斑功率谱密度对比就可得到离散成像器件的调制传递函数。

采集到散斑图后，首先计算其功率谱密度，具体的计算方法如下：

一个长度为N的数列的功率谱密度计算方法为对其做傅立叶变换，取模的平方再除以数组长度；设数列为k[n](n＝1，2，3……N)，则其功率谱密度为：

${\mathrm{PSD}}_{k\left[n\right]}=\frac{{\left|\mathrm{FFT}\left(k\left[n\right]\right)\right|}^2}{N}---\left(5\right)$

在计算机中，一幅图像的存储方式为一个二维数组，设为f(m，n)，若离散成像器件象元数位M×N，则图像数组维数也为M×N；取其第i行，成为一个一维离散数列f(i，n)，即为f(i，1)，f(i，2)，f(i，3)，……f(i，N)，

根据公式(5)求其功率谱密度为 ${\mathrm{PSD}}_{f(i,n)}=\frac{{\left|\mathrm{FFT}\left(f(i,n)\right)\right|}^2}{N};$ 做行平均，即可得到离散成像器件在列方向的功率谱密度为：

${\mathrm{PSD}}_{f(M,n)}=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|\mathrm{FFT}\left(f(i,n)\right)\right|}^2}{N}---\left(6\right)$

这样就求出了探测到的散斑图的功率谱密度。

根据传递函数的有关理论可知传递函数与输入输出的功率谱密度的关系为：

PSD_in*MTF²＝PSD_out                (7)

在本方法中，输入的功率谱密度由公式(2)可以求出，输出的功率谱密度由公式(6)可以计算，于是离散成像器件的统计调制传递函数可以计算出来：

$\mathrm{MTF}=\sqrt{{\mathrm{PSD}}_{\mathrm{out}}/{\mathrm{PSD}}_{\mathrm{in}}}---\left(8\right)$

计算出的MTF如附图3所示。对求得的数据进行最小二乘多项式拟合得到的结果如图4所示。

以上结合附图对本发明的具体实施方法和结果做了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由权利要求书所限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光散斑法测量离散成像器件的统计调制传递函数测量的方法，其特征在于：将散斑投射到离散成像器件靶面上做为输入，离散成像器件采取散斑图即为输出，对散斑图做数据处理得到输出的功率谱密度，通过输入和输出的功率谱密度对比，得到离散成像器件的统计调制传递函数。

2.根据权利要求1所述的一种激光散斑法测量离散成像器件的统计调制传递函数测量的方法，其特征在于具体测量过程为：

a.将离散成像器件统计调制传递函数测量装置置于避光处，将激光器、激光扩束镜、随机散射体、孔径光阑、偏振片、待测量离散成像器件依次置于同一条直线上，保证其共光轴。孔径光阑紧贴随机散射体出射表面，偏振片置于孔径光阑之后，紧贴孔径光阑；

b.调整随机散射体出射平面孔径光阑的直径大小和待测离散成像器件的位置，使投射到离散成像器件靶面上的散斑的功率谱密度截止频率足够高，在器件奈奎斯特频率的两倍处降为零；

c.通过带有图像采集卡的计算机采集离散成像器件探测到的激光散斑图，并对散斑图的数据进行处理得到散斑图的功率谱密度，与输入激光散斑功率谱密度对比就可得到离散成像器件的调制传递函数。

3.根据权利要求1所述的一种激光散斑法测量离散成像器件的统计调制传递函数测量的方法，其特征在于：功率谱密度可以通过采用周期图谱估计方法或模型谱估计方法计算得到。

4.根据权利要求1所述的一种激光散斑法测量离散成像器件的统计调制传递函数测量的方法，其特征在于：通过改变数据处理方式，获得整个离散探测器阵列的调制传递函数或者某一区域的调制传递函数。

5.一种激光散斑法测量离散成像器件的统计调制传递函数测量装置，其特征在于包括激光器、激光扩束镜、随机散射体、孔径光阑、偏振片、待测量离散成像器件和带有图像采集卡的计算机；待测量离散成像器件通过图像采集卡连接到计算机上；激光器、激光扩束镜、随机散射体、孔径光阑、偏振片、待测量离散成像器件依次置于同一条直线上，并且共光轴；孔径光阑紧贴随机散射体出射表面，偏振片置于孔径光阑之后，紧贴孔径光阑；计算机包含相应图像采集和数据处理软件；激光器发出的激光，经过激光扩束镜扩束后，照射到随机散射体上产生散斑，通过调整散斑出射面孔径的大小和离散成像器件的位置，可以调整照射到离散成像器件上激光散斑的功率谱密度(PSD)，通过对接收到的图像进行频谱分析，对比输入的PSD，即可得到离散成像器件的统计调制传递函数(MTF)。

6.根据权利要求5所述的一种激光散斑法测量离散成像器件的统计调制传递函数测量装置，其特征在于：所述随机散射体可以是毛玻璃，也可以是随机微透镜阵列或者积分球。

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