CN104280214A - 一种ccd调制传递函数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCD调制传递函数测量装置及测量方法，该测量装置包括三维调整系统、光源和光处理单元；所述光处理单元固定在三维调整系统上，光处理单元包括目标狭缝和显微物镜；所述目标狭缝和显微物镜依次设置在所述光源的出射光路上，显微物镜包括两个面，其中一个面上设有螺纹，设有螺纹的面为像方，另一个面为物方；所述光源的出射光由像方入射，由物方出射。在本发明中，为获取线扩展函数提供了宽度小于1μm的高成像质量目标狭缝，通过获得的缩小的、高质量的目标狭缝，将此目标狭缝会聚于被测成像器件阵列之上，实现了精细采样，提高了测试精度。

Description

一种CCD调制传递函数测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种CCD调制传递函数测量装置及测量方法，可针对彩色CCD建立的高精度调制传递函数测量装置。

背景技术

目前，CCD传递函数的测定方法可分为三类，一类是关注CCD本身的结构和电学特性，从CCD工作机制的物理模型出发，分析CCD工作的物理过程，得到CCD传递函数的理论模型。比较典型的是法国图卢兹大学的Ibrahima Djit等人提出了一种正弦光注入条件下的稳态扩散方程求解的CCD传递函数的理论模型，该模型需要对CCD所用材料工作时的电学参数、CCD的结构参数等进行测定，因此该方法实现较为困难，目前仅停留于实验室阶段。

以色列本-古里安大学的Orly Yadid-Pecht分析了CCD感光区域的形状对CCD传递函数的影响，给出了不同形状感光区的CCD理论传递函数，该模型只分析了单个像元感光区域形状对CCD传递函数的影响，未考虑CCD像元间电荷传导等对CCD传递函数的影响，因而该模型对CCD传递函数测定的指导意义有限。

另一类是可以称为目标靶法，通过对靶某一理想特性和靶通过CCD成像后的该特性的改变，得到CCD传递函数。根据靶的特性不同可分为激光散斑法和对比度法。

激光散斑法最近的研究是中佛罗里达大学的Alfred D.Ducharme，通过对产生激光散斑的目标靶的精确设计，产生了功率谱密度较为均匀的激光散斑，实现了CCD全靶面传递函数的测定。该方法对激光散斑的质量要求较高，而且得到的CCD传递函数的曲线不够平滑。

对比度法中，由理想靶板的透过率特性不同，又有正弦靶和矩形靶之分。国内，浙江大学的赵烈烽和大连理工大学的胡家升等分别采用激光干涉原理产生条纹宽度可调的正弦干涉条纹，通过对不同宽度正弦条纹对比度的测定，得到CCD的传递函数。该方法需要正弦干涉条纹的质量较高，且相位匹配精度对其测试结果影响较大，故操作复杂，测试的重复性较差。而矩形靶同样存在靶板制作困难和相位匹配精度要求高的问题。

第三类方法是通过对刃边衍射像的分析，得到CCD的传递函数，故常称为刃边法。该方法通过傅里叶变换，实现了从空域到频域的分析。为了获得高于CCD内奎斯特频率的采样频率，使刃边与由CCD像素组成的列相交成一定的角度，来获得上采样的刃边函数。通过调整目标刃边的倾角大小，理论上可以得到任意大小的采样间隔。因此IS012233将倾斜刃边法作为电子静态图像相机分辨率测试的标准方法。该方法，由于刃边图像存在噪声，需要复杂的去噪算法。在算法原理上也会因差分与微分的差异而引入算法误差。目标刃边倾角的引入一方面会增加采样频率，同时由于CCD离散量化采样也会引入倾角的计算误差而引入频域失配的问题。另外，该方法需要借助光学成像系统成像，因此需要对光学成像系统的传递函数进行准确的评估，并予以扣除。

上述方法各有利弊，前两类方法基本停留在实验室阶段，无法进行工程应用。第三类算法因为刀口放置的位置不同，刃边会有相应的衍射效应，影响测试结果。一般最为准确的方法是紧贴CCD靶面放置刀口，完成刃边函数的采样，随后进行差分、微分处理，得到调制传递函数。虽然这样可以尽可能小的避免由于刃边衍射效应对传函结果产生的影响，但是由于CCD本身感光面前一般都会有保护玻璃窗口(彩色CCD靶面前有颜色滤光片)，刀口不能放置于感光面处，衍射效应及重影会对调制传递函数的测量结果产生较大影响。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种CCD调制传递函数测量装置及测量方法。

本发明的第一种技术解决方案是：

一种CCD调制传递函数测量装置，其特殊之处在于：包括三维调整系统、光源、光处理单元；所述光处理单元固定在三维调整系统上，光处理单元包括目标狭缝和显微物镜；所述目标狭缝和显微物镜依次设置在所述光源的出射光路上，目标狭缝设置的光源和显微物镜之间；显微物镜包括两个面，其中一个面上设有螺纹，设有螺纹的面为像方，另一个面为物方；所述光源的出射光由显微物镜的像方入射，由显微物镜的物方出射。

上述光处理单元还包括折轴镜和目镜，折轴镜设置在显微物镜和目标狭缝之间，目镜设置在折轴镜的上方，使得当转动折轴镜时，通过目镜能够看到被测CCD感光面。

上述三维调整系统包括竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台，水平电控平移台固定在前后电控平移台上，竖直电控平移台固定在水平电控平移台上，竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台之间两两相互垂直，所述光处理单元固定在竖直电控平移台上。

上述目标狭缝的宽度是被测CCD感光面像元宽度的1～2倍。

上述CCD调制传递函数测量装置还包括控制采集系统；所述控制采集系统包括光源控制单元、运动方向控制单元和采集单元；所述光源控制单元与光源相连；运动方向控制单元分别与竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台相连；采集单元与被测CCD相连。

上述控制采集系统还包括与被测CCD相连的显示单元。

本发明提供的第二种技术解决方案是：

一种CCD调制传递函数测量方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)通过目镜查看被测CCD感光面；

若能够看到，则进行步骤3)，否则进行步骤2)；

2)调整竖直电控平移台、水平电控平移台和/或前后电控平移台，重复步骤1)；

3)将光路中的折轴镜移开；

4)通过控制采集系统的显示单元，在被测CCD感光面上选择被测像元，将被测CCD感光面上目标狭缝的像作为目标图像，确保被测CCD工作在线性响应区内，将目标图像调整到选择的被测像元上；

5)移动竖直电控平移台或水平电控平移台，使目标图像从被测像元的一边移动至另一边，在移动过程中获取被测像元灰度值；

6)以步骤6)竖直电控平移台或水平电控平移台移动的距离为X轴，以步骤6)获取的被测像元灰度值为Y轴，得到被测像元的线扩展函数；

7)利用汉明窗对其进行切趾运算，并通过一维离散傅里叶变换，取模归一化得到被测像元的调制传递函数。

还包括以下步骤：

8)调整前后电控平移台或被测CCD与显微物镜之间的距离，重复步骤4)至步骤7)在步骤4)中选择同一个被测像元。步骤8)至少重复10次。

9)选择步骤8)得到的最大的调制传递函数，作为被测CCD的调制传递函数。

本发明的优点是：

1、在本发明中，光源的出射光由显微物镜的像方入射，由显微物镜的物方出射，创造性的将显微物镜逆向使用，因此，本发明巧妙的反用光学显微系统，为获取线扩展函数提供了宽度小于1μm的高成像质量目标狭缝。通过获得的缩小的、高质量的目标狭缝，将此目标狭缝会聚于被测成像器件阵列之上，实现了精细采样，提高了测试精度。

2、本发明三维调整系统的竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台，其定位精度优于1μm，从而可以保证扫描过程中的准确性，提高了测试结果的准确性；目标狭缝可以在垂直、前后或水平方向上扫描通过被测CCD。输出的目标图像的涨落情况可以被电脑获得，得到线扩展函数(LSF)，调制传递函数可以通过线扩散函数计算得到。

3、本发明的光处理单元还运用了折轴镜与目镜配合，拟定被测彩色CCD像面的位置，随后可通过实时显示被测CCD调制传递函数，最终确定被测CCD最佳调制传递函数。

4、本发明中所使用的目标狭缝，被光源照亮，通过一个高成像质量的显微物镜将目标狭缝成像在被测CCD感光面上，目标狭缝的宽度比被测CCD感光面像元宽度要窄，这样可以获得采样密集、更为精细的线扩展函数。

5、本发明的测量精度可达±2％，测量重复性可达±1％。

6、本发明的CCD调制传递函数测量装置可以完成对彩色CCD调制传递函数的测量，尤其是可以针对彩色CCD不同谱段(诸如：RGB形式)调制传递函数的分别测量，而且也可以适用于一般CCD调制传递函数的测量，是一台应用范围广泛、测试精度优良的测试设备。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是三维调整系统的结构示意图；

其中：1-光源；2-目标狭缝；3-三维调整系统；4-水平电控平移台；5-竖直电控平移台；6-前后电控平移台；8-显微物镜；9-折轴镜；10-目镜；11-被测CCD；12-控制采集系统。

具体实施方式

参见图1，本发明提供的一种CCD调制传递函数测量装置，包括三维调整系统、光源1、光处理单元；光处理单元固定在三维调整系统上，光处理单元包括目标狭缝2和显微物镜8；被测CCD11包括被测CCD感光面；目标狭缝、显微物镜和被测CCD感光面依次设置在光源的出射光路上；显微物镜包括两个面，其中一个面上设有安装螺纹，设有安装螺纹的面为像方，另一个面为物方，对于显微物镜，光源的出射光由显微物镜的像方入射，由显微物镜的物方出射。三维调整系统能使光处理单元在水平、竖直、前后三个方向移动；被测CCD成像靶面(感光面)位于逆向显微系统(显微物镜)的像方平面处。目标狭缝宽度仅为5μm，经过本发明的显微物镜的缩小后，目标狭缝宽度小于1μm，后续可以提高线扩展函数的提取精度，显微物镜可选用奥林巴斯公司的LMPLFLN-10×型号显微物镜。

其中，显微物镜可选用高成像质量的平场半复消色差显微物镜，可以获得较为理想的狭缝目标，提高了测量装置的精度。

光处理单元还包括折轴镜9和目镜10，折轴镜设置在显微物镜和目标狭缝之间的光路上，目镜设置在折轴镜的上方，使得当转动折轴镜时，通过目镜能够看到被测CCD感光面。折轴镜可将光路折转60°，方便通过目镜查看目标狭缝在被测CCD感光面上的成像情况。目镜可选用奥林巴斯公司的WHB10×型号目镜。

三维调整系统包括竖直电控平移台5、水平电控平移台4和前后电控平移台6，水平电控平移台固定在前后电控平移台上，竖直电控平移台固定在水平电控平移台上，竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台之间两两相互垂直，竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台两两之间通过转接板相连，竖直电控平移台水平电控平移台之间的转接板为直角弯板，光处理单元固定在竖直电控平移台上。本发明的三维调整系统可选用德国PI公司的M-404.xPD型号平移台，定位精度优于1μm。

目标狭缝的宽度是被测CCD感光面像元宽度的1～2倍(目标狭缝通过显微物镜缩小后宽度是像元尺寸的1/10～1/5)。

本发明还包括控制采集系统12；控制采集系统包括光源控制单元、运动方向控制单元、采集单元、用以计算调制传递函数的计算单元和与被测CCD相连的显示单元。

光源控制单元与光源相连，用以控制光源输出亮度；运动方向控制单元分别与竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台相连，用于控制竖直电控平移台在竖直方向上的运动，控制水平电控平移台在水平方向上的运动，控制前后电控平移台在前后方向上的运动；采集单元与被测CCD相连，用以采集被测CCD的输出图像。

光源1可以采用为卤钨灯光源，光的波段范围是350～950nm，卤钨灯光源经过匀化，均匀照亮目标狭缝，光源功率150W，可为测试提供充足的光照度。

本发明提供的CCD调制传递函数测量装置的具体工作原理如下：

光源经过匀化后照亮目标狭缝，目标狭缝经过光处理单元的显微物镜成像在被测CCD感光面上，使用折轴镜转折光路，用目镜查看目标狭缝的成像是否位于被测CCD感光面上，通过三维调整系统中的前后向平移台运动调整，直到看清CCD靶面像元，此时固定前后位置，利用三维调整系统竖直电控平移台或水平电控平移台精密移动，通过被测CCD采集图像，利用控制采集系统提取图像中被测像元的灰度变化趋势，即可得到线扩展函数(LSF)，通过提取彩色CCD图像中R、G、B像元的灰度值，分别进行计算，便可得到R、G、B三色的调制传递函数。如此，便得到了彩色CCD不同谱段彩色像元的调制传递函数。

采用本发明的CCD调制传递函数测量装置，测量CCD调制传递函数方法，包括以下步骤：

1)通过目镜查看被测CCD感光面；

若能够查看到，则进行步骤3)，否则进行步骤2)；

2)调整竖直电控平移台、水平电控平移台和/或前后电控平移台，重复步骤1)；

3)将光路中的折轴镜移开；

4)通过控制采集系统的显示单元，在被测CCD感光面上选择被测像元，将被测CCD感光面上目标狭缝的像作为目标图像，确保被测CCD工作在线性响应区内，将目标图像调整到选择的被测像元上，获取目标图像对应的图像；

5)移动竖直电控平移台或水平电控平移台，使目标图像从被测像元的一边移动至另一边，在移动过程中获取被测像元灰度值；

6)以步骤6)竖直电控平移台或水平电控平移台移动的距离为X轴，以步骤6)获取的被测像元灰度值为Y轴，得到被测像元的线扩展函数；

7)利用汉明窗对其进行切趾运算，并通过一维离散傅里叶变换，取模归一化得到被测像元的调制传递函数MTF；

8)调整前后电控平移台或被测CCD与显微物镜之间的距离，重复步骤4)至步骤7)，在步骤4)中选择同一个被测像元；为得到更客观准确的结果最好重复步骤8)至少10次。

9)选择步骤8)得到的最大的调制传递函数，作为被测CCD的调制传递函数；

现阶段，彩色数码相机、手机照相机已经非常普遍。除了光学镜头对成像质量的影响以外，成像器件自身的调制传递函数也是影响光学系统成像能力的关键。那么在对成像器件(诸如：CCD、CMOS等)的测量评价就变得尤为重要，本发明就以彩色调制传递函数为侧重点，构建了一套彩色调制传递函数测试装置，其用途广泛、精度优良，值得被参考和借鉴。

Claims (9)

1.一种CCD调制传递函数测量装置，其特征在于：包括三维调整系统、光源和光处理单元；所述光处理单元固定在三维调整系统上，光处理单元包括目标狭缝和显微物镜；所述目标狭缝和显微物镜依次设置在所述光源的出射光路上，显微物镜包括两个面，其中一个面上设有螺纹，设有螺纹的面为像方，另一个面为物方；所述光源的出射光由像方入射，由物方出射。

2.根据权利要求1所述的CCD调制传递函数测量装置，其特征在于：所述光处理单元还包括折轴镜和目镜，折轴镜设置在显微物镜和目标狭缝之间的光路上；目镜设置在折轴镜的上方，使得当转动折轴镜时，通过目镜能够看到被测CCD感光面。

3.根据权利要求1或2所述的CCD调制传递函数测量装置，其特征在于：所述三维调整系统包括竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台，水平电控平移台固定在前后电控平移台上，竖直电控平移台固定在水平电控平移台上，竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台之间两两相互垂直，所述光处理单元固定在竖直电控平移台上。

4.根据权利要求3所述的CCD调制传递函数测量装置，其特征在于：所述目标狭缝的宽度是被测CCD感光面像元宽度的1～2倍。

5.根据权利要求4所述的CCD调制传递函数测量装置，其特征在于：所述CCD调制传递函数测量装置还包括控制采集系统；所述控制采集系统包括光源控制单元、运动方向控制单元和采集单元；所述光源控制单元与光源相连；运动方向控制单元分别与竖直电控平移台、水平电控平移台和前后电控平移台相连；采集单元与被测CCD相连。

6.根据权利要求5所述的CCD调制传递函数测量装置，其特征在于：所述控制采集系统还包括与被测CCD相连的显示单元。

7.采用权利要求1至6任一所述的CCD调制传递函数测量装置测量CCD调制传递函数的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)通过目镜查看被测CCD感光面；

若能够看到，则进行步骤3)，否则进行步骤2)；

2)调整竖直电控平移台、水平电控平移台和/或前后电控平移台，重复步骤1)；

3)将光路中的折轴镜移开；

4)通过控制采集系统的显示单元，在被测CCD感光面上选择被测像元，将被测CCD感光面上目标狭缝的像作为目标图像，确保被测CCD工作在线性响应区内，将目标图像调整到选择的被测像元上；

5)移动竖直电控平移台或水平电控平移台，使目标图像从被测像元的一边移动至另一边，在移动过程中获取被测像元灰度值；

6)以步骤6)竖直电控平移台或水平电控平移台移动的距离为X轴，以步骤6)获取的被测像元灰度值为Y轴，得到被测像元的线扩展函数；

7)利用汉明窗对其进行切趾运算，并通过一维离散傅里叶变换，取模归一化得到被测像元的调制传递函数。

8.根据权利要求7所述的CCD调制传递函数测量方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：

8)调整前后电控平移台或被测CCD与显微物镜之间的距离，重复步骤4)至步骤7)，在步骤4)中选择同一个被测像元；

9)选择步骤8)得到的最大的调制传递函数，作为被测CCD的调制传递函数。

9.根据权利要求8所述的CCD调制传递函数测量方法，其特征在于：重复步骤8)至少10次。