CN103592108A - Ccd芯片调制传递函数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCD芯片调制传递函数测试装置及测试方法，其测试装置主要包括He-Ne激光器、可调衰减器、扩束镜、针孔滤波器、光阑、准直透镜、改进型迈克尔逊干涉仪、暗箱、图像采集卡和PC数据处理系统。He-Ne激光器、可调衰减器、扩束镜、针孔滤波器、光阑、准直透镜依次位于改进型迈克尔逊干涉仪入射光路上且各部分光轴为一条直线；暗箱位于改进型迈克尔逊干涉仪的出射光路PC数据处理系统与暗箱中接有CCD的图像采集卡相连。入射光线经测试装置处理成平行光，再经干涉仪射出正弦干涉条纹，利用正弦干涉条纹图样作为靶标，通过CCD成像，然后利用正弦干涉条纹对比度与像对比度比值的方法测试出CCD的调制传递函数。

Description

CCD芯片调制传递函数测试装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，涉及CCD芯片调制传递函数测试，具体涉及一种使用可调频正弦光栅作为靶标的CCD芯片调制传递函数测试装置及方法。

背景技术

CCD芯片是光学成像领域中应用最为广泛的图像传感器之一，对其成像质量的评价的需求不断得到提高，而测量调制传递函数是当前公认的一种比较理想的像质评价的方法。目前，调制传递函数的测量装置以及方法有很多，主要有固定靶标测量调制传递函数法与随机靶标测量调制传递函数法。1977年S.B.Campana首先提出了利用点源或检测靶测量CCD的调制传递函数的方法。随后，S.K.Simonds提出的刃边法均属于固定靶类方法。这些方法基本上用于测量连续成像器件调制传递函数的方法，但在用于离散器件时，却出现了系统输出取决于靶像与采样阵列位相不相匹配的问题。随后提出的方法对其有所改进，但还是存在以下不足：（1）测得的CCD的响应都是从有限区域而非整个阵列获得的；（2）将靶标引入CCD必须借助光学成像系统，而成像系统光学元件的质量对CCD的调制传递函数测量结果有直接影响；（3）需要利用复杂的扫描技术得到检测结果。G.Boreman等人在分析了用固定靶测量CCD的调制传递函数存在的诸如复杂的扫描技术和高质量的光学元件等弊病的基础上，于1986年提出了激光散斑测量CCD的调制传递函数的方法。这要比Kubota等人用均匀曝光的照相底片做随机靶随机有了很大的改进。在该方法中，产生的散斑是通过一个散斑孔径照射到CCD上的，因而CCD的调制传递函数MTF与孔径函数的功率谱和散斑的功率谱有关。由于激光散斑法具有无需光学系统、可对整个阵列检测等优点，研究者将目标集中在产生散斑的方法上。用积分球产生散斑算是经典的方法，而用全息方法产生散斑较之前向前迈进了一大步。1995年，A.Danieis提出的随机靶法对产生散斑的方式做了更大的改进，他不是用激光辐射，而是用计算机产生随机图样。从1996年开始，又开始把目光转向了对衍射孔径的改进。W.Astar设计了一种孔径，它只有零级通过率，因而它的光学传递函数在频谱区内相当于一个低通滤波器。当低通滤波器处于孔径光学传递函数的截止频率时，就形成了带通滤波器。此后，W.Astar提出了扩展频率孔径衍射的散斑全息图测量调制传递函数的方法。虽然散斑法有很多优点，但难于准确的确定空间频率且空间频率不能连续变化。这些方法普遍需要高质量的光学成像系统或高精度的复杂扫描技术，而且通常只能获得CCD的一个或几个像元的调制传递函数MTF以及不能实现连续调频。因此，有必要提出一种全新的测试装置以及测试方法获得整个CCD阵列的调制传递函数。

发明内容

为了解决背景技术中提及的在测试过程中需要高质量的光学成像系统和高精度的复杂扫描技术来测量CCD调制传递函数以及所测量的调制传递函数不连续，只能测量一个或几个像元的调制传递函数的不足之处，本发明提供了一种用可调频正弦光栅作为靶标的CCD芯片调制传递函数的测试装置及方法，本发明的装置及方法具有适用范围广，可重复性好，便于操作实现的CCD调制传递函数。

本发明的技术方案是：所提供的CCD芯片调制传递函数测试装置包括He-Ne激光器、可调衰减器、针孔滤波器、光阑、准直透镜、迈克尔逊干涉仪、待测CCD芯片、暗箱、图像采集卡和PC数据处理系统，全息干板以及微光度计在测试时要用到，但不属于本装置的组件。所述He-Ne激光器、可调衰减器、扩束镜、针孔滤波器、光阑、准直透镜依次置于迈克尔逊干涉仪的入射光路上且各组件的光轴在一条直线上；待测CCD芯片与的图像采集卡连接装入暗箱内以免杂散光影响测量，所述暗箱通过不透光管道连接在迈克尔逊干涉仪的出射光路上，所述PC数据处理系统与图像采集卡连接，读取图像信息。

本发明应用上述测试装置测试CCD芯片调制传递函数的方法，包括以下步骤：

（1）开启He-Ne激光器，光束通过可调衰减器进行初次的激光强度衰减，调节衰减器能够连续调节光的强度；

（2）初次衰减的激光通过扩束镜扩展光束直径并通过针孔滤波器滤去杂波之后的激光束的质量得到初步改善，然后调节光路中的光阑使得光束中能量分布均匀的部分通过光阑的出射孔径；

（3）调节准直透镜在光路中的前后位置，使入射进迈克尔逊干涉仪的光为平行光，使迈克尔逊干涉仪出射光线成清晰的干涉条纹；

（4）利用全息干板记录正弦干涉条纹图样，用测微光度计对记录的干涉条纹图样进行扫描记录得到干涉条纹的对比度M¹；

（5）将暗箱连接到干涉仪的出射光路，并且用相应的接口线将图像采集卡与PC数据处理系统连接，同时使正弦干涉条纹在待测CCD上成像；

（6）在PC数据处理系统的图像采集软件通过图像采集卡读取待测CCD所成正弦图像的光强最大值I_max与最小值I_min，计算正弦图像的对比度：

（7）CCD的调制传递函数MTF(f)值为所成像的对比度与步骤四所测正弦干涉条纹图样对比度的比值，即：

（8）分光镜的可调的角度盘0°到90°范围内调整角度，得到一系列不同空间频率的正弦波，同时得到相对应的MTF，利用最小二乘法拟合出CCD阵列调制传递函数。

本发明提供了一种CCD芯片调制传递函数的测试装置及测试方法。通过全息干板与测微光度计测出正弦干涉条纹的对比度。然后，将设有待测CCD与图像采集卡的暗箱与干涉仪的出射光路连接，通过PC图像采集软件得到像的对比度，像的对比度与正弦干涉条纹对比度的比值即为CCD的调制传递函数。本发明解决了背景技术中需要高质量的光学成像系统和高精度的复杂扫描技术以及只能获得CCD的一个或几个像元的调制传递函数等技术问题，具有以下优点：

1)采用本发明后，可以直接测得CCD整个器件的调制传递函数，不局限于单一像元或某几个像元，从整体上反映了CCD的成像质量；

2)本发明适用于不同类型以及不同像元大小的CCD芯片调制传递函数测试；

3）本发明将待测CCD与图像采集卡置于暗箱中，并且与干涉仪通过不透光管道连接，保证CCD不受杂散光的影响，使测量更准确。

4）本发明对迈克尔干涉仪在光路上做了进一步改进。由于现有迈克尔干涉仪所成的条纹对外界的变化是很明感的，若对仪器的平台或任一光路有轻微的扰动，都会使干涉条纹发生变化。基于此，改进型的迈克尔逊干涉仪克服了这些缺点，提高了测量的精度。通过改进型迈克尔逊干涉仪产生正弦干涉条纹作为靶标，并在分光镜的底座上放置角度可调的角度盘，调节分光镜的角度，获得一系列不同频率的正弦波，从而实现连续变频测量。

5）本发明的使用简单、方便，通用性强。

附图说明

图1是本发明所采用的测试装置的结构示意图；

图2是本发明的测试方法流程图。

具体实施方式

根据图1，CCD芯片调制传递函数测试装置包括He-Ne激光器1、可调衰减器2、扩束镜3针孔滤波器4、光阑5、准直透镜6、改进的迈克尔逊干涉仪7、图像采集卡8、暗箱9、PC数据处理系统10和待测CCD芯片11，全息干板以及微光度计在测试中要用到，但不属于本发明的测试装置组成。暗箱9置于迈克尔逊干涉仪7的出射光路并通过不透光管道连接，其中待测CCD芯片11与图像采集卡8连接并设置在暗箱9中，以免杂散光影响测量；He-Ne激光器1、准直透镜6、针孔滤波器4依次置于迈克尔逊干涉7的入射光路上且各组件的光轴在一条直线上；PC数据处理系统9与接有CCD的图像采集卡8相连。

附图1中所述的迈克尔逊干涉仪7为改进型，本发明对迈克尔干涉仪在光路上做了进一步改进。由于现有迈克尔干涉仪所成的条纹对外界的变化是很敏感的，若对仪器的平台或任一光路有轻微的扰动，都会使干涉条纹发生变化。基于此，改进型的迈克尔逊干涉仪克服了这些缺点，提高了测量的精度。同时，将分光镜固定在角度可调的角度盘上，通过在调节角度获得不同空间频率的正谐波，以提高CCD调制传递函数测量精度。

根据附图2，本发明的CCD芯片调制传递函数测试方法包括如下步骤：

步骤一：开启He-Ne激光器1，光束通过可调衰减器2进行初次的激光强度衰减，调节衰减器可以连续调节光的强度；

步骤二：初次衰减的激光通过扩束镜3扩展光束直径并通过针孔滤波器4滤去杂波之后激光束的质量得到改善，然后调节光路中的光阑5出射孔径使得光束中能量分布均匀的部分通过光阑的出射孔径；

步骤三：调节准直透镜6在迈克尔干涉仪7入射光路与光阑5之间光路中的前后位置，使入射进改进型干涉仪7的光为平行光，使出射光线成清晰的干涉条纹；

步骤四：利用全息干板记录正弦干涉条纹图样，用测微光度计对记录的干涉条纹图样进行扫描记录得到干涉条纹的对比度M¹；

步骤五：将暗箱9连接到干涉仪的出射光路，并且用相应的接口线将图像采集卡8与PC数据处理系统连接10，同时使正弦干涉条纹在待测CCD11上成像；

步骤六：在PC数据处理系统10的图像采集软件通过图像采集卡8读取待测CCD所成正弦图像的光强最大值I_max与最小值I_min，计算正弦图像的对比度：

步骤七：CCD的调制传递函数MTF(f)值为所成像的对比度与步骤四所测正弦干涉条纹图样对比度的比值，即：

步骤八：分光镜下可调的角度盘0°到90°范围内调整角度，得到一系列不同空间频率的正弦波，同时得到相对应的MTF，利用最小二乘法拟合出CCD的阵形调制传递函数。

将改进型迈克尔逊干涉仪产生正弦干涉条纹作为靶标，并在分光镜的底座上放置角度可调的角度盘，调节分光镜的角度，获得一系列不同频率的正弦波。

最小二乘法是一种数学优化技术，它是通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合，本发明利用了曲线拟合的功能，该技术是现有技术。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种CCD芯片调制传递函数测试装置，其特征在于：所述的CCD芯片调制传递函数测试装置包括He-Ne激光器（1）、可调衰减器（2）、扩束镜（3）、针孔滤波器（4）、光阑（5）、准直透镜（6）、迈克尔逊干涉仪（7）、图像采集卡（8）、暗箱（9）、PC数据处理系统（10）和待测CCD芯片（11）；所述He-Ne激光器（1）、可调衰减器（2）、扩束镜（3）、针孔滤波器（4）、光阑（5）、准直透镜（6）依次置于迈克尔逊干涉仪（7）的入射光路并各组件的光轴为一条直线；待测CCD芯片（11）与图像采集卡（8）连接装入暗箱（9）内以免杂散光影响测量，所述暗箱（9）通过不透光管道连接在迈克尔逊干涉仪（7）的出射光路上，所述PC数据处理系统（10）与图像采集卡（8）连接，读取所成图像信息。

2.根据权利要求1所述的CCD芯片调制传递函数测试装置，其特征在于：在迈克尔逊干涉仪（7）中将分光镜（7-1）固定在角度可调的角度盘上，通过在0°到90°范围内调节角度盘的角度获得不同空间频率的正谐波。

3.用权利要求1所述的CCD芯片调制传递函数测试装置测试调制传递函数的方法，其特征包括以下步骤：

步骤一：开启He-Ne激光器（1），光束通过可调衰减器（2）进行初次激光强度衰减，调节衰减器能够连续调节光的强度；

步骤二：初次衰减的激光通过扩束镜（3）扩展光束直径并通过针孔滤波器（4）滤去杂波之后，激光束的质量得到初步改善，然后调节光阑（5）的出射孔径，使光束中能量分布均匀的部分能够通过光阑；

步骤三：调节准直透镜（6）在迈克尔干涉仪入射光路与光阑（5）之间光路中的前后位置，使射入迈克尔逊干涉仪（7）的光束为平行光，使迈克尔逊干涉仪（7）出射光线构成清晰的正弦干涉条纹图样；

步骤四：利用全息干板从迈克尔干涉仪（7）出射光路处记录正弦干涉条纹图样，用测微光度计（12）对记录的干涉条纹图样进行扫描记录得到干涉条纹的对比度M¹；

步骤五：将暗箱（9）连接到干涉仪的出射光路，图像采集卡（8）与PC数据处理系统(10)连接，同时使正弦干涉条纹在待测CCD上成像；

步骤六：PC数据处理系统（10）的图像采集软件通过图像采集卡（8）读取待测CCD所成正弦图像的光强最大值I_max与最小值I_min，计算正弦图像的对比度： $M^2=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }};$

步骤七：待测CCD所成正弦图像的对比度与步骤四所测正弦干涉条纹图样对比度的比值为CCD的调制传递函数MTF(f)值，即：

步骤八：将分光镜（7-1）下可调的角度盘0°到90°范围内调整角度，得到一系列不同空间频率的正弦波，同时得到相对应的MTF，利用最小二乘法拟合出CCD调制传递函数。

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