CN101782457B

CN101782457B - 一种测量调制传递函数的装置及方法

Info

Publication number: CN101782457B
Application number: CN2010101256981A
Authority: CN
Inventors: 陈宇恒; 陈新华; 周建康; 季轶群; 相春昌; 沈为民
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: CN101782457A

Abstract

本发明公开了一种测量调制传递函数的装置及其方法。该装置的分辨率板置于平行光管的支架上，位于平行光管截面内中心位置，其外框为正方形，分辨率板上的图形为同心、不同间距及宽度的明暗相间的环状条纹。测量方法是以所需测量方向的方位角θ为中心，在该方位角的左右两个方向分别延续微量角度

作为处理区域，对分辨率板在该处理区域内的空间方向、空间频率的环状条纹区域图像进行测量，经数据处理，统计出其图像灰度值的极大值与极小值，得到该所需测量方向范围内图像的对比度，计算得到调制传递函数值。本发明采用分辨率板的环状分辨率图形，不仅能测得光电仪器水平、垂直两个方向上的MTF数值，并且能测得其任何空间方向上的MTF数值。

Description

一种测量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器件或光电仪器调制传递函数的方法及其装置。

背景技术

调制传递函数(MTF)反映不同空间频率下，成像过程中像物对比度衰减的程度，是一种用于评价光电仪器、光学镜头等成像性能的物理量。

由于测量原理不同，传统仪器一般仅能单独测量光学器件或光学仪器的调制传递函数。传统方法的数据处理需经时频变换，受到数据处理开销和精度的制约，无需数据时频转换的测量方法对样品设计、制作的要求高。当分辨率板的图形空间频率较高时，由于采样配准问题，会造成测量误差。不同方向的调制传递函数反映待测器件在不同成像方向处的成像性能，传统方法测量待测器件水平、垂直两个方向的调制传递函数值，尽管能基本反应器件成像性能，但仍存在一定局限。

使用针孔测量调制传递函数的方法受探测器采样频率的限制，一般仅适用于光学镜头调制传递函数值的测量。刀口法是一种适用于光电仪器调制传递函数测量的方法，该方法对刀口的加工精度要求高，需对采样数据进行傅立叶变换。直接采用空间分辨率板测量调制传递函数的测量方式直观便捷，无需时频数据变换，兼有对光电仪器和光学元件调制传递函数值均可进行测量的优点。

在本发明作出之前，文献“A method for measuring modulation transferfunction of CCD device in remote camera with grating pattern”(SPIEVol.6829，2008，68291B-1～68291B7)中，报道了一种利用空间分辨率板测量遥感相机传递函数的技术，参见附图1，它采用的分辨率板图形为空间频率不同的矩形图形，在进行调制传递函数的测量时，先测得分辨率板各空间频率下条纹的图像对比度，再经后期计算，可得到相机纵向与横向各空间频率下的调制传递函数。

该技术方案采用图形灰度矩形变化的分辨率板取代设计与加工难度较大的图形灰度正弦变化的分辨率板，实现了相机调制传递函数的测量，但仍存在下述两方面的不足：(1)空间分辨率板包含从低频到高频多个分辨率图形，空间频率增大时，单个分辨率条纹成像到探测器像面范围对应的像元数减少。条纹图像与图像探测器像元配准不精确，会产生测量误差，使MTF的测得值小于实际值。(2)该方法仅能测量水平和垂直两个方向的MTF值，无法测量其它方向的MTF值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种操作简便、算法简单，能测量光电仪器空间任何特定方向的调制函数的装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量调制传递函数的装置，它包括自带光源的平行光管、分辨率板、图像探测器、导轨、平移台和数据处理系统，所述的分辨率板，置于平行光管的支架上，位于平行光管截面内中心位置，其外框为正方形，分辨率板上的图形为同心、不同间距及宽度的明暗相间的环状条纹。

一种测量调制传递函数的方法，其步骤包括：

(1)图像探测器通过待测光学器件或光电仪器采集分辨率板的图像，输入到数据处理系统；所述的分辨率板的外框为正方形，分辨率板上的图形为同心、不同间距及宽度的明暗相间的环状条纹；

(2)数据处理系统对由图像传感器采集得到的图像，以所需测量方向的方位角[θ]为中心，在该方位角的左右两个方向分别延续微量角度

作为处理区域

，对分辨率板在该处理区域内的空间方向、空间频率的环状条纹区域图像进行测量，经数据处理，统计出其图像灰度值的极大值与极小值，得到该所需测量方向范围内图像的对比度；

(3)依据测得的图像的对比度，计算得到待测光学器件或光电仪器在所需测量方向的调制传递函数值。

分辨率板上各组宽度不同的环状图形对应不同的物方空间频率，像空间的空间频率可通过环状条纹的物方频率、平行光管焦距与待测器件等效焦距换算得到。分辨率板的材料为玻璃或者透明胶片。

为保证提供照明的均匀性，所述平行光管的口径略大于待测光学器件或光电仪器的入瞳直径。

所述平行光管的光源为普通钨灯或红外光源，图像探测器为可见光探测器或红外探测器。

与现有技术相比，本发明具有如下的特点：

1.本发明采用分辨率板测量法来实现光电仪器MTF的测量，直接在时域处理采样数据，无需经历时频变换，降低了数据处理的时间和可能引起的精度影响；直接采用图形灰度矩形变化的空间分辨率板，使样品的设计与制作更为简便。

2.本发明采用分辨率板的环状分辨率图形，不仅能测得光电仪器水平、垂直两个方向上的MTF数值，并且能测得其任何空间方向上的MTF数值。分辨率板覆盖从低频到高频的整个空间频率范围，通过平移台的移动实现分辨率板图像的采样配准，消除未配准带来的测量误差影响。

3.本发明硬件成本低，结构简单，且扩展性好，易于实现和方便使用。将平行光管的光源由普通钨灯改为红外光源，并将图像探测器由可见光探测器改为红外探测器，便可实现红外光电仪器的MTF测量。

附图说明

图1是现有技术中调制传递函数测量所采用矩形图形空间分辨率板的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种调制传递函数的测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种调制传递函数的测量装置中的分辨率板的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种调制传递函数的测量方法的原理示意图；

其中：1、明亮中心区；2、环状亮条纹；3、环状暗条纹；4、暗背景区；5、平行光管；6、目镜；7、光源；8、准直镜；9、分辨率板；10、待测光电仪器(自带图像传感器)；11、二维平移台；12、导轨。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

本实施例提供一种测量光电仪器调制传递函数的装置和方法。

参见附图2，它是本实施例所提供的一种调制传递函数测量装置的结构示意图。测量前，需对测量仪进行校正：光源7放置于准直镜8的焦点处，开启光源，其发出的光通过准直镜，输出强度均匀的平行光；分辨率板9放置于平行光管5内的支架上，位于平行光管截面内中心位置，可通过目镜6观测来实现；待测光电仪器10置于平行光管出口处，通过二维平移台11与导轨12连接。调节二维平移台的高度，使待测光电仪器的入瞳中心与平行光管内分辨率板的中心等高。为保证提供照明的均匀性，平行光管的口径应略大于待测光电仪器的入瞳直径。平行光管的光源可采用普通钨灯。

参见附图3，它是本实施例提供的一种调制传递函数的测量装置中的分辨率板的示意图；分辨率板的外框为正方形环，分辨率板上的图形为同心、不同间距及宽度的明暗相间的环状条纹，明亮中心区1在分辨率板的中心，环状亮条纹2与环状暗条纹3为宽度相同的明、暗同心环，暗背景区4在环状条纹的最外边的区域。分辨率板的材料可为玻璃或者透明胶片。

完成以上校正后，待测光电仪器的图像传感器对分辨率板图像进行采集，采集图像输出至数据处理系统进行后期的处理和计算。一般采集图像需在十至二十幅左右，以通过多次采样取均值降低采样噪声。

对于每幅图像，图像上的每个圆环对应的像方空间频率换算公式如下：

F_{i} = \frac{f_{c}}{f_{o}} \cdot F_{o}

其中，F_o为靶中某环对应的物方空间频率，F_i是经换算的得到的该环成像后对应的像方空间频率，f_c为平行光管准直镜的焦距，f_o为待测光电仪器的焦距。参见附图3，它是本实施例提供的一种光电仪器调制传递函数的测量装置中的分辨率板的示意图；在分辨率板内，相邻宽度相等的一亮条纹2与一暗条纹3为一组，根据设计值可查得其物方空间频率，根据上式可换算成相应的像方空间频率。

参见附图4，它是本实施例提供的一种光电仪器调制传递函数的测量方法的原理示意图；图中显示了分辨率板上某个物方频率下一明一亮一组环状条纹的一部分，该组条纹的像方频率可直接通过公式

(各参数如上所述)推导。对于360°范围内的任意方位角，如附图4所示的θ方位角为中心，在θ角的左右两个方向分别延续

角作为处理区域。在共计

的处理范围内，统计图像灰度值的极大值与极小值，可得到该范围内像的对比度。分辨率板物的对比度，可经附图3中明亮中心区1和暗背景区4的图像极值统计后计算得到。基于环状条纹的图像对比度与物的对比度，可计算得到该环像方频率处待测光电仪器的MTF值。

受图像采样的配准精度影响，单次采样和数据处理所得结果精度有限。数据处理系统控制二维平移台在水平、垂直两个方向进行精密移动，在每个位置，重复采样与数据处理过程。将计算结果进行比对，其中数值最大的结果对应配准最佳的采样位置，其值最接近MTF的理论值。

在任意空间方位角，对特定环状图形区域反复进行如上所述的采样-数据处理-配准的工作，可得到特定空间方位角，空间频率处待测光电仪器的MTF值。

在本实施例中，将平行光管的光源由普通钨灯改为红外光源，并将图像探测器由可见光探测器改为红外探测器，便可实现红外光电仪器的MTF测量。若测量对象非光电仪器而为光学器件，仅需添加额外的图像传感器来采集图像，完成后期数据处理。将计算得到的MTF结果去除添加图像传感器对MTF的衰减影响，即可得到待测光学器件的MTF值。

Claims

1.一种测量调制传递函数的装置，包括自带光源的平行光管、分辨率板、图像探测器、导轨、平移台和数据处理系统，其特征在于：所述的分辨率板，置于平行光管的支架上，位于平行光管截面内中心位置，其外框为正方形，分辨率板上的图形为同心、不同间距及宽度的明暗相间的环状条纹。

2.一种测量调制传递函数的方法，其步骤包括：

(1)图像探测器通过待测光学器件或光学仪器采集分辨率板的图像，输入到数据处理系统；所述的分辨率板的外框为正方形，分辨率板上的图形为同心、不同间距及宽度的明暗相间的环状条纹；

(2)数据处理系统对由图像探测器采集得到的图像，以所需测量方向的方位角[θ]为中心，在该方位角的左右两个方向分别延续微量角度

作为处理区域

对分辨率板在该处理区域内的空间方向、空间频率的环状条纹区域图像进行测量，经数据处理，统计出其图像灰度值的极大值与极小值，得到该所需测量方向范围内图像的对比度；

(3)依据测得的图像的对比度，计算得到待测光学器件或光学仪器在所需测量方向的调制传递函数值。