CN104122077B - 无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法及装置。该方法包括以下步骤：①将多个数字摄像机按照被测镜头的测量要求分布于被测镜头物方一侧，并且使各个数字摄像机的光轴对准被测镜头的物方主点；②将分划板、匀光板和背光板放置在被测镜头的像方一侧并沿被测镜头的光轴方向由近及远依次布设；③调整分划板使分划板位于被测镜头的焦平面；④选取每个数字摄像机位于其中心位置的一个鉴别率单元图案的图像，计算出不同线对密度对应的MTF值；⑤生成被测镜头在不同视角位置上的子午向和弧矢向的调制传递函数曲线。该方法和装置可用于测量视场角大的镜头，解决了目前有限共轭光学系统测量上述镜头误差大的问题。

Description

无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法及装置

技术领域

本发明涉及光电领域，特别涉及一种无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法及装置，它可用于测量广角镜头、鱼眼镜头等视场角大(视场角可达到110°以上，甚至达到180°)的镜头。

背景技术

清晰度是光学镜头的最重要指标，调制传递函数曲线则是描述光学镜头清晰度的通用的科学的方法。目前镜头生产厂家获得调制传递函数曲线的最常用的方法是逆投影目测法。该方法的原理是：刻有鉴别率图案的分划板位于被测镜头的焦平面外接近于焦平面的位置，辅助照明光源均匀照射在分划板上。调整分划板和被测镜头的位置，即可将分划板图案的放大图案成像于距离被测镜头的物方数百毫米到数米远的屏幕(墙壁)上。操作人员通过目测鉴别率图案上不同线对的线条的MTF值得到调制传递函数曲线。此方法的优点：1、速度快(10秒－20秒)，适合生产线使用，2、设备成本低；缺点：1、目测精度低，2、需暗室，占用场地大，3、操作员的眼睛易疲劳，人为误差大；4、依赖操作员的经验。

多数的摄像机生产厂家以鉴别率图案为物，经过被测镜头成像到传感器，输出图像经显示器后人工判断，或者送到PC的图像采集器经软件判断，获得被测镜头的调制传递函数数据。这种光路也是属于有限共轭光路，优点是成本低，速度快；缺点：占用场地大。

光学镜头厂家还使用一种设备，该设备采用分划板在被测镜头的像方，经被测镜头逆投影成像与物方平面。在该平面上放置多条线阵CCD。通过分析CCD的内容获得被测镜头的调制传递函数曲线。此方法的优点：测量速度快，没有操作员人为因素的误差；缺点：体积大，视角不同时线阵CCD的位置调整费时。

另有专利CN101957553A描述了一种有限共轭光学系统测量镜头的调制传递函数的方法。该方法使用被测透镜成像，测试板位于被测透镜的物方，图像传感器位于被测透镜的像方。

以上这几种常用的方法，从光路分类上都属于有限共轭系统。而安防行业常用的广角镜头和鱼眼镜头，视场角达到110°以上，甚至达到180°。这种情况下，有限共轭系统设定的物平面很难实现；即使实现，像场弯曲较大，用这样的物平面测量得到的结果，比与实际应用时的效果差很多，不能正确评估该镜头的清晰度。

发明内容

本发明的目的在于克服以上缺点，提供一种无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法及用于实现该方法的装置，该方法和装置可用于测量视场角大的镜头(如广角镜头、鱼眼镜头)，解决了目前有限共轭光学系统测量上述镜头误差大的问题，不仅测量准确、操作简便、测量速度快，而且测量装置体积小、占用空间少、不需暗室，可以满足光学镜头大批量生产的检测要求，易于推广应用。

本发明技术方案是这样实现的：

(一)方案一：

一种无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

①将多个数字摄像机按照被测镜头的测量要求分布于被测镜头物方一侧，各个数字摄像机与被测镜头光轴的夹角小于或等于被测镜头最大视场角的一半，并且使各个数字摄像机的光轴对准被测镜头的物方主点；

②将分划板、匀光板和背光板放置在被测镜头的像方一侧并沿被测镜头的光轴方向由近及远依次布设，所述分划板上刻有多组由不同线对的子午向和弧矢向排列的黑白细线组成的鉴别率单元图案；

③调整分划板与被测镜头的相对位置，直至分划板位于被测镜头的焦平面，以保证通过被测镜头产生的平行光在数字摄像机上形成清晰的鉴别率单元图案的图像；

④选取每个数字摄像机位于其中心位置的一个鉴别率单元图案的图像，根据该图像计算出不同线对密度对应的MTF值；

⑤根据每个数字摄像机所在视角位置以及计算出的不同线对密度对应的MTF值，生成被测镜头在不同视角位置上的子午向和弧矢向的调制传递函数曲线；

所述数字摄像机的镜头焦距大于被测镜头的焦距，且数字摄像机的镜头选用高清晰度镜头。

为了提高测量的准确性，所述数字摄像机的镜头焦距是被测镜头焦距的2-10倍，所述高清晰度镜头指调制传递函数曲线在0-50线对范围的MTF值高于0.8的镜头。

为了进一步提高测量的准确性，步骤⑤生成的调制传递函数曲线用以下方法进行补偿：

数字摄像机(5)的镜头的调制传递函数曲线：MTF₂＝f₂(x)；

步骤⑤生成的调制传递函数曲线：MTF₁＝f₁(x)；

则补偿后的调制传递函数曲线：MTF₁’＝f₁(x)/f₂(x*F₁/F₂)；

其中x为线对坐标，F₁为被测镜头的焦距，F₂为数字摄像机的镜头的焦距。

(二)方案二

一种用于实现无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数方法的装置，该装置包括设于被测镜头像方一侧的固定座、设于被测镜头物方一侧的活动支座以及用来调节活动支座相对固定座高度位置的升降调整装置；固定座上设有用来安装被测镜头的镜头安装座以及位于被测镜头和固定座之间且沿被测镜头的光轴方向由近及远依次排列的分划板、匀光板和背光板，固定座上还设有用来调节分划板相对被测镜头安装位置距离的分划板调节装置；所述活动支座上设有多个数字摄像机以及用来将各个数字摄像机按照被测镜头的测量要求分布于被测镜头物方一侧的最大视场角范围内的不同视角位置的摄像机安装部件；该装置还包括测量控制中心单元以及连接于各个数字摄像机与测量控制中心单元之间的智能处理器，所述智能处理器具有能选取每个数字摄像机位于其中心位置的一个鉴别率单元图案的图像，根据该图像计算出不同线对密度对应的MTF值的功能；所述测量控制中心单元具有能根据每个数字摄像机所在视角位置以及计算出的MTF值，生成被测镜头在不同视角位置上的子午向和弧矢向的调制传递函数曲线。

为了进一步提高测量速度，方便用户操作，所述摄像机安装部件包括设置于活动支座上的两组以上以被测镜头光轴为中心对称分布的安装通道，每组安装通道上设有多组呈扇形分布的用来插置数字摄像机的径向安装插槽，各组安装通道的各安装插槽能使插置于其内的各个数字摄像机的光轴都分别对准被测镜头光轴上的同一个点；各个数字摄像机上设有与安装插槽配合实现插接定位的定位凸缘。

进一步地，每组安装通道由位于安装在活动支座上方的两块相互平行的扇形板之间的通道构成，每块扇形板的圆心夹角为90度，扇形板的内侧壁设有多道分布在不同径向角度上的凸棱，所述安装插槽由位于两块扇形板的对应凸棱之间的槽道构成。

为了更方便地测量被测镜头中心点的清晰度，所述摄像机安装部件还包括安装于活动支座上且位于两组以上安装通道交汇处上方的中心支架，所述中心支架上能架设一个数字摄像机并使该数字摄像机的光轴与被测镜头光轴重合。

为了更好地带动活动支座上升或下降，所述升降调整装置包括垂直设置于固定座上的螺杆和导杆，所述螺杆中部与设于活动支座体内的螺纹孔螺纹连接，所述导杆底部与固定座固定连接，导杆中部与活动支座滑动套接。

为了更好地固定背光板和匀光板，所述固定座上设有用于安装背光板和匀光板的固定套筒；为了更方便地调节分划板相对被测镜头安装位置的距离，所述分划板调节装置为用来安装分划板的分划板筒，所述分划板筒与固定套筒同轴且螺纹连接。

为了方便调制传递函数曲线的显示和读取，所述测量控制中心单元带有显示屏幕。

较之现有技术而言，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的检测方法可用于测量广角镜头、鱼眼镜头等视场角大的镜头，解决了目前有限共轭光学系统测量上述镜头误差大的问题；

(2)本发明提供的检测方法不仅测量准确，而且操作简便、测量速度快，可以满足光学镜头大批量生产的检测要求；

(3)本发明提供的检测方法利用调制传递函数曲线对测量结果进行补偿，进一步提高了测量结果的准确性；

(4)本发明提供的检测装置不仅可以简单、快速地测量出被测镜头的清晰度，而且体积小、占用空间少、不需暗室、性能可靠、制造成本低、易于推广应用；

(5)本发明提供的检测装置设有摄像机安装部件，可以快速地定位摄像机的角度，升降调整装置可以使数字摄像机的光轴快速地对准被测镜头的前主点，进一步提高了测量速度，方便用户操作。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数方法的光路图；

图2是本发明的其中一种鉴别率单元分布图；

图3是图2中每个鉴别率单元图案的放大图；

图4是本发明无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数方法的装置的三维结构示意图；

图5是图4中扇形板、安装通道及安装插槽的三维结构示意图。

图中符号说明：1、背光板，2、匀光板，3、分划板，4、被测镜头，5、数字摄像机，6、固定座，7、活动支座，8、升降调整装置，8-1、螺杆，8-2、导杆，9、镜头安装座，10、分划板调节装置，11、摄像机安装部件，11-1、安装通道，11-2、安装插槽，11-3、扇形板，11-3-1、凸棱，11-4、中心支架，12、测量控制中心单元，13、固定套筒。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明：

如图1所示，为本发明提供的无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数方法的光路图，该方法包括以下步骤：

①将多个数字摄像机5按照被测镜头4的测量要求分布于被测镜头4物方一侧，各个数字摄像机5与被测镜头4光轴的夹角小于或等于被测镜头4最大视场角的一半，并且使各个数字摄像机5的光轴对准被测镜头4的物方主点，各个数字摄像机5优选设置在被测镜头4的光轴上和/或围绕被测镜头4的光轴均匀圆周分布，既可分布于一个圆周，也可分布于多个圆周；

②将分划板3、匀光板2和背光板1放置在被测镜头4的像方一侧并沿被测镜头4的光轴方向由近及远依次布设，所述分划板3上刻有多组由不同线对的子午向和弧矢向排列的黑白细线组成的鉴别率单元图案，如图2所示为本发明的其中一种鉴别率单元分布图，图3所示为图2中每个鉴别率单元的图案；

③调整分划板3与被测镜头4的相对位置，直至分划板3位于被测镜头4的焦平面，以保证通过被测镜头4产生的平行光在数字摄像机5上形成清晰的鉴别率单元图案的图像；

④选取每个数字摄像机5位于其中心位置的一个鉴别率单元图案的图像，根据该图像计算出不同线对密度对应的MTF值；

⑤根据每个数字摄像机5所在视角位置以及计算出的不同线对密度对应的MTF值，测量控制单元12生成被测镜头4在不同视角位置上的子午向和弧矢向的调制传递函数曲线，将该调制传递函数曲线与客户预先设定的清晰度合格条件进行比较，据此判断被测镜头是否合格，该比较过程可以通过测量控制单元12自动进行，也可以通过人工进行判断；

所述数字摄像机5的镜头焦距大于被测镜头4的焦距，且数字摄像机5的镜头选用高清晰度镜头。

为了提高测量的准确性，所述数字摄像机5的镜头焦距优选为被测镜头4焦距的2-10倍，所述高清晰度镜头优选采用调制传递函数曲线在0-50线对范围的MTF高于0.8的镜头。

为了进一步提高测量的准确性，步骤⑤生成的调制传递函数曲线用以下方法进行补偿：

数字摄像机5的镜头的调制传递函数曲线：MTF₂＝f₂(x)；

步骤⑤生成的调制传递函数曲线：MTF₁＝f₁(x)；

则补偿后的调制传递函数曲线：MTF₁’＝f₁(x)/f₂(x*F₁/F₂)；

其中x为线对坐标，F₁为被测镜头4的焦距，F₂为数字摄像机5的镜头的焦距。

例如：数字摄像机镜头的MTF在10线对时的MTF为0.95，数字摄像机镜头焦距是被测镜头的10倍，则被测镜头的100线对测得值需除以0.95得到补偿后的值。

如图4-5所示，为本发明提供的一种用于实现无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数方法的装置，如图4所示，该装置包括固定座6、设于固定座6上方的活动支座7以及用来调节活动支座7相对固定座6高度位置的升降调整装置8；固定座6上设有用来放置被测镜头4的镜头安装座9以及位于被测镜头4安装位置下方且沿被测镜头4的光轴方向自上而下依次排列的分划板3、匀光板2和背光板1，固定座6上还设有用来调节分划板3相对被测镜头4安装位置距离的分划板调节装置10；所述活动支座7上设有多个数字摄像机5以及用来将各个数字摄像机5按照被测镜头4的测量要求分布于被测镜头4上方的最大视场角范围内的不同视角位置的摄像机安装部件11；该装置还包括测量控制中心单元12以及连接于各个数字摄像机5与测量控制中心单元12之间的智能处理器，所述智能处理器具有能选取每个数字摄像机5位于其中心位置的一个鉴别率单元图案的图像，根据该图像计算出不同线对密度对应的MTF值的功能；所述测量控制中心单元12具有能根据每个数字摄像机5所在视角位置以及计算出的不同线对密度对应的MTF值，生成被测镜头4在不同视角位置上的子午向和弧矢向的调制传递函数曲线的功能。根据该调制传递函数曲线，可获得被测镜头4各个测量位置清晰度的测量结果。所述智能处理器可设于数字摄像机5内部，也可设于测量控制中心单元12内，也可设在其它地方。数字摄像机5、智能处理器和测量控制中心单元12三者之间的连接可通过无线传输，也可通过数据线连接。测量控制中心单元12也可以设置分析比较模块，对生成的调制传递函数曲线与客户预先设定的清晰度合格条件进行比较，据此判断被测镜头是否合格，当然也可人工进行分析比较。

为了进一步提高测量速度，方便用户操作，如图4所示，本实施例的摄像机安装部件11包括设置于活动支座7上的四组以被测镜头4光轴为中心对称分布并且彼此相互垂直的安装通道11-1(也可根据需要设置两组、三组或更多安装通道11-1)，每组安装通道11-1上设有多组呈扇形分布的用来插置数字摄像机5的径向安装插槽11-2，各组安装通道11-1的各安装插槽11-2能使插置于其内的各个数字摄像机5的光轴分别对准被测镜头4光轴上的同一个点；各个数字摄像机5上设有与安装插槽11-2配合实现插接定位的定位凸缘。

进一步地，如图5所示，每组安装通道11-1由位于安装在活动支座7上方的两块相互平行的扇形板11-3之间的通道构成，每块扇形板11-3的圆心夹角为90度，扇形板11-3的内侧壁设有多道分布在不同径向角度上的凸棱11-3-1，所述安装插槽11-2由位于两块扇形板11-3的对应凸棱11-3-1之间的槽道构成。当然也可采用其它方式，例如，采用一个半球，在半球上加工出四组相互垂直的安装通道11-1，并在安装通道11-1上加工出安装插槽11-2，只要能快速定位数字摄像机5的角度，并能使各个数字摄像机5的光轴分别对准被测镜头4光轴上的同一个点的方式均可。

为了更方便地测量被测镜头4中心点的清晰度，如图4所示，所述摄像机安装部件11还包括安装于活动支座7上且位于四组安装通道11-1交汇处上方的中心支架11-4，所述中心支架11-4上能架设一个数字摄像机5并使该数字摄像机5的光轴与被测镜头4光轴重合。

为了更好地带动活动支座7上升或下降，如图4所示，所述升降调整装置8包括竖设于固定座6上方的螺杆8-1和导杆8-2，所述螺杆8-1中部(所述螺杆中部是指螺杆顶部和底部之间的部分)与设于活动支座7体内的竖向螺纹孔螺纹连接，螺杆8-1底部活动压置于固定座6顶面，所述导杆8-2底部与固定座6固定连接，导杆8-2中部与活动支座7滑动套接。当然所述升降调整装置8也可以用其它方式，如齿轮齿条、导轨、气缸、油缸等等。

为了更好地固定背光板1和匀光板2，所述固定座6上设有用于安装背光板1和匀光板2的固定套筒13；为了更方便地调节分划板3相对被测镜头4安装位置的距离，所述分划板调节装置10为用来安装分划板3的分划板筒，所述分划板筒与固定套筒13同轴且螺纹连接。

为了方便调制传递函数曲线的显示和读取，所述测量控制中心单元12带有显示屏幕。

该发明的工作原理为：根据被测镜头4需要测量的点数和位置，将多个数字摄像机5放置于摄像机安装部件11上的安装插槽11-2内，调整螺杆8-1，使活动支座7上升或下降，直至使数字摄像机5的光轴对准被测镜头4的前主点，接着调整分划板筒，使分划板3位于被测镜头4的焦平面(当调整到分划板3位于被测镜头4的焦平面时，被测镜头4产生的平行光在数字摄像机5上形成清晰的鉴率单元图案的图像)。位于不同方向的数字摄像机5可看到不同位置的鉴别率单元图案的图像。选取每个数字摄像机位于其中心位置的一个鉴别率单元图案的图像，智能处理器可计算出不同线对密度对应的MTF值，生成一组结果数据送到测量控制中心单元12。测量控制中心单元12综合每个数字摄像机5所在位置和报告的结果数据，生成被测镜头4在不同视角位置上的子午向和弧矢向的调制传递函数曲线。

上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

①将多个数字摄像机(5)按照被测镜头(4)的测量要求分布于被测镜头(4)物方一侧，各个数字摄像机(5)与被测镜头(4)光轴的夹角小于或等于被测镜头(4)最大视场角的一半，并且使各个数字摄像机(5)的光轴对准被测镜头(4)的物方主点；

②将分划板(3)、匀光板(2)和背光板(1)放置在被测镜头(4)的像方一侧并沿被测镜头(4)的光轴方向由近及远依次布设，所述分划板(3)上刻有多组由不同线对的子午向和弧矢向排列的黑白细线组成的鉴别率单元图案；

③调整分划板(3)与被测镜头(4)的相对位置，直至分划板(3)位于被测镜头(4)的焦平面，以保证通过被测镜头(4)产生的平行光在数字摄像机(5)上形成清晰的鉴别率单元图案的图像；

④选取每个数字摄像机(5)位于其中心位置的一个鉴别率单元图案的图像，根据该图像计算出不同线对密度对应的MTF值；

⑤根据每个数字摄像机(5)所在视角位置以及计算出的MTF值，生成被测镜头(4)在不同视角位置上的子午向和弧矢向的调制传递函数曲线；

所述数字摄像机(5)的镜头焦距大于被测镜头(4)的焦距，且数字摄像机(5)的镜头选用高清晰度镜头。

2.根据权利要求1所述的无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法，其特征在于：所述数字摄像机(5)的镜头焦距是被测镜头(4)焦距的2-10倍，所述高清晰度镜头指调制传递函数曲线在0-50线对范围的MTF值高于0.8的镜头。

3.根据权利要求1所述的无限共轭光路测量光学镜头的调制传递函数的方法，其特征在于：步骤⑤生成的调制传递函数曲线用以下方法进行补偿：

数字摄像机(5)的镜头的调制传递函数曲线：MTF₂＝f₂(x)；

步骤⑤生成的调制传递函数曲线：MTF₁＝f₁(x)；

则补偿后的调制传递函数曲线：MTF₁’＝f₁(x)/f₂(x*F₁/F₂)；

其中x为线对坐标，F₁为被测镜头(4)的焦距，F₂为数字摄像机(5)的镜头的焦距。

4.一种用于实现权利要求1-3中任一项所述方法的装置，其特征在于：该装置包括设于被测镜头(4)像方一侧的固定座(6)、设于被测镜头(4)物方一侧的活动支座(7)以及用来调节活动支座(7)相对固定座(6)高度位置的升降调整装置(8)；固定座(6)上设有用来安装被测镜头(4)的镜头安装座(9)以及位于被测镜头(4)和固定座(6)之间且沿被测镜头(4)的光轴方向由近及远依次排列的分划板(3)、匀光板(2)和背光板(1)，固定座(6)上还设有用来调节分划板(3)相对被测镜头(4)安装位置距离的分划板调节装置(10)；所述活动支座(7)上设有多个数字摄像机(5)以及用来将各个数字摄像机(5)按照被测镜头(4)的测量要求分布于被测镜头(4)物方一侧的最大视场角范围内的不同视角位置的摄像机安装部件(11)；该装置还包括测量控制中心单元(12)以及连接于各个数字摄像机(5)与测量控制中心单元(12)之间的智能处理器，所述智能处理器具有能选取每个数字摄像机(5)位于其中心位置的一个鉴别率单元图案的图像，根据该图像计算出不同线对密度对应的MTF值的功能；所述测量控制中心单元(12)具有能根据每个数字摄像机(5)所在视角位置以及计算出的MTF值，生成被测镜头(4)在不同视角位置上的子午向和弧矢向的调制传递函数曲线。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述摄像机安装部件(11)包括设置于活动支座(7)上的两组以上以被测镜头(4)光轴为中心对称分布的安装通道(11-1)，每组安装通道(11-1)上设有多组呈扇形分布的用来插置数字摄像机(5)的径向安装插槽(11-2)，各组安装通道(11-1)的各安装插槽(11-2)能使插置于其内的各个数字摄像机(5)的光轴都分别对准被测镜头(4)光轴上的同一个点；各个数字摄像机(5)上设有与安装插槽(11-2)配合实现插接定位的定位凸缘。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：每组安装通道(11-1)由位于安装在活动支座(7)上的两块相互平行的扇形板(11-3)之间的通道构成，每块扇形板(11-3)的圆心夹角为90度，扇形板(11-3)的内侧壁设有多道分布在不同径向角度上的凸棱(11-3-1)，所述安装插槽(11-2)由位于两块扇形板(11-3)的对应凸棱(11-3-1)之间的槽道构成。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述摄像机安装部件(11)还包括安装于活动支座(7)上且位于两组以上安装通道(11-1)交汇处的中心支架(11-4)，所述中心支架(11-4)上能架设一个数字摄像机(5)并使该数字摄像机(5)的光轴与被测镜头(4)光轴重合。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述升降调整装置(8)包括垂直设置于固定座(6)上的螺杆(8-1)和导杆(8-2)，所述螺杆(8-1)中部与设于活动支座(7)体内的螺纹孔螺纹连接，所述导杆(8-2)底部与固定座(6)固定连接，导杆(8-2)中部与活动支座(7)滑动套接。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述固定座(6)上设有用于安装背光板(1)和匀光板(2)的固定套筒(13)，所述分划板调节装置(10)为用来安装分划板(3)的分划板筒，所述分划板筒与固定套筒(13)同轴且螺纹连接。

10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述测量控制中心单元(12)带有显示屏幕。