CN104330245B - 一种波前编码成像系统焦面位置测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波前编码成像系统焦面位置测试方法，具有如下步骤：首先使用通过星点孔的单色光照射待测的含有波前编码相位板的镜头；获取所述镜头形成的星点图像；然后确定所述星点图像中最大灰度像素点，截取该最高像素点所在行的所有像素点，得到一维的点扩散函数，对该点扩散函数进行傅里叶变换，得到一维的光学传递函数；最后调节获取星点图像相机的测量位置，重复上述过程，获得不同离焦位置对应的光学传递函数，计算所述全部光学传递函数在设定空间频率处的相位值；应用所述的相位值进行数据拟合，拟合曲线中最高点即为焦面的位置。

Description

一种波前编码成像系统焦面位置测试方法与装置

技术领域

本发明涉及焦面位置的测试，尤其涉及一种波前编码成像系统焦面位置的测试方法和测试装置。涉及专利分类号G01测量；测试G01M机器或结构部件的静或动平衡的测试；其他类目中不包括的结构部件或设备的测试G01M11/00光学设备的测试；其他类目未包括的用光学方法测试结构部件G01M11/02光学性质的测试。

背景技术

波前编码成像系统是一种新型的光学成像系统，其在传统的光学系统中加入一个相位掩膜板对入射光波的波前相位进行编码，获得对离焦不敏感的模糊图像，而后通过对所得的模糊图像进行解码，恢复出清晰图像。

波前编码成像系统在保证系统的光通量和成像分辨率的情况下增大了景深，同时还可以抑制球差、色差、象散、场曲以及由安装误差和温度变化引起的离焦带来的像差，获得传统光学系统无法获得的优越成像性能。

目前最为常用的是E.R.Dowski在专利US5748371中发明的三次相位掩膜板(CPM)，将三次相位板(f(x)＝αx³)引入到光学系统的光瞳面上后，通过稳相法就可得到存在离焦时的光学传递函数OTF：

式中，ψ为离焦量，其与光学系统成像过程中的物距d_o、像距d_e之间的关系如下：

式中，L为光瞳的直径，f为光学系统焦距。

为了确定成像系统的焦面位置，常用的方法是通过测试过焦点MTF或过焦点清晰度法，通过选择最高MTF或图像最清晰的位置为最佳焦面位置。

由公式(1)和公式(2)可看出，波前编码系统的离焦的调制传递函数MTF(OTF的模)与离焦量无关，因此在像面位于不同离焦位置时，所对应的MTF相同，且图像清晰度也是相同的，因此无法使用过焦点MTF或过焦点清晰度法确定焦面位置。

发明内容

本发明针对常规的通过检测过焦点的调制传递函数MTF(即不同位置处的MTF)，而后根据最高的MTF位置确定焦面位置的检测方法，由于波前编码系统在设计过程中令其调制传递函数(MTF)随离焦变化不敏感，而不能检测波前编码系统的问题，研制的一种波前编码成像系统焦面位置测试方法，具有如下步骤：

首先使用通过星点孔的单色光照射待测的含有波前编码相位板的镜头；获取所述镜头形成的星点图像；

然后确定所述星点图像中最大灰度像素点，截取该最高像素点所在行的所有像素点，得到一维的点扩散函数，对该点扩散函数进行傅里叶变换，得到一维的光学传递函数；

最后调节获取星点图像相机的测量位置，重复上述过程，获得不同离焦位置对应的光学传递函数，计算所述全部光学传递函数在确定空间频率处的相位值；应用所述的相位值进行数据拟合，拟合曲线中最高点即为焦面的位置。

通过相机拍摄多张所述镜头形成的初始星点图像，相加所述的多个初始星点图像，最终得到所述的星点图像。

所述的数据拟合过程如下：

将测量位置和与测量位置对应的相位值与公式进行数据拟合。

其中，为相位值(相位传递函数在确定空间频率处的值)，Z为测量位置。

一种波前编码成像系统焦面位置测试装置，包括：带有星点孔的单色平行光源、含有波前编码相位板的镜头和采集所述镜头上星点像的摄像头，该摄像头与所述镜头的间距可调。

测试焦面位置时，调节摄像头与镜头的间距，获取不同间距对应的光学传递函数，通过结合光学传递函数在确定空间频率处的相位值和间距对公式

进行数据拟合，拟合曲线中的最高点即为焦面位置。

其中，为相位值(相位传递函数在确定空间频率处的值)，Z为测量位置。

作为优选的实施方式，所述的单色平行光源依次包括：光源、滤光片、星点孔和准直物镜。

由于采用了上述的技术方案，本发明所提出的一种波前编码成像系统焦面位置测试方法与装置，具有如下优点及效果：1)测量装置简单，易于搭建；2)测量过程与MTF测试过程相似，测试操作简单；3)利用测量数据进行拟合，减少了所需测量的数据点，并提高了测量精度；4)可测量得到焦面的绝对位置和相对位置，实际使用方便。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的波前编码系统焦面位置测试装置。

图2是测量的过焦点相位传递函数PTF及其拟合曲线

图中：1、光源；2、滤光片；3、星点孔；4、准直物镜；5、被测波前编码镜头；6、CCD探测器；7、光具座；8、一维位移台。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

参见附图1，它是本实施例中波前编码系统焦面位置测试装置的结构示意图，该测试装置与光学系统点扩散函数测试装置相似。测试装置由光源1，滤光片2，星点孔3，准直物镜4，被测波前编码镜头5，探测相机6，光具座7，一维位移台8。光源1发出的光经过滤光片2后得到单色光，而后经过星点孔3和准直物镜4后，输出为平行的单色光。该平行单色光经过被测波前编码系统后，由CCD探测器6记录了相应的星点像，最终通过计算机计算得到相位传递函数。CCD探测器6放置在一维平移台8上，该平移台由计算机控制进行轴向移动，因此可测出在不同离焦位置处的相位传递函数，通过后续计算机分析可确定最佳焦面位置。上述仪器全部固定在光具座7上。

在本实施例中，光源为汞灯，滤光片的中心波长为550nm，星点孔的直径为10μm，相机为CMOS相机，像素大小为2μm。被测波前编码系统由相位板和镜头组成(参见附图2)，其中相位板1紧贴在镜头2前。镜头2的焦距为50mm，相位板1为参数α＝30三次相位板，相位板1的通光孔径为8mm×8mm的方形孔径，因此被测波前编码系统的焦距为50mm，F数为6.25。

本发明所述的波前编码系统焦面测试方法，主要步骤如下：

1)根据被测镜头的标称焦面位置确定初始测量位置和测试范围，在本实施例中被测波前编码镜头焦距为50mm，因此将CMOS相机初始位置放置在镜头后48mm处，此时一维位移台上的刻度Z1＝20mm，确定焦距测试范围在20mm到24mm之间(最佳焦面位于一维位移台刻度为22mm时)。

2)利用CCD相机拍摄5张星点图像，并对5张图像进行相加以消除随机噪声的干扰，获得平均后星点图像X1，记录此时的位置Z1＝20mm。

3)将获取的星点图像X1中，确定图像中的最大灰度像素点，而后截取最高像素点所在行的所有像素点，从而获取了一维的点扩散函数，将此点扩散函数进行傅里叶变换，得到了一维的光学传递函数，记为OTF1。

4)调节平移台步进200μm，重复步骤2)的过程，记录星点图像X2和获取图像的位置Z2，而后重复步骤3)的过程，计算相应的光学传递函数，记为OTF2。

5)重复步骤5)的过程，直到平移范围达到了步骤1)中确定的最大量程24mm，从而得到了对应于位置{Z1，Z2，…，Z21}的光学传递函数{OTF1，OTF2，…，OTF21}。

6)计算光学传递函数{OTF1，OTF2，…，OTF21}在空间频率为30lp/mm处的相位传递函数值，记为{PTF1，PTF2，…，PTF21}。

7)将测量位置{Z1，Z2，…，Z41}和相应的相位传递函数值{PTF1，PTF2，…，PTF21}与下面公式进行拟合：

拟合后，求解得到参数a，b，c，如图2所示为拟合图，计算得到的参数为：

a＝-3.062，b＝22.08，c＝13.48

8)利用步骤7)中获得的拟合数据，则焦面相对于测量中的标尺中位置为22.08mm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种波前编码成像系统焦面位置测试方法，其特征在于具有步骤：

—使用通过星点孔的单色光照射待测的含有波前编码相位板的镜头；获取所述镜头形成的星点图像；

—确定所述星点图像中最大灰度像素点，截取该最高像素点所在行的所有像素点，得到一维的点扩散函数，对该点扩散函数进行傅里叶变换，得到一维的光学传递函数；

—调节获取星点图像相机的测量位置，重复上述过程，获得不同离焦位置对应的光学传递函数，计算所述全部光学传递函数在确定空间频率处的相位值；应用所述的相位值进行数据拟合，拟合曲线中最高点对应的位置即为焦面的位置。

2.根据权利要求1所述的波前编码成像系统焦面位置的测试方法，其特征还在于通过相机拍摄多张所述镜头形成的初始星点图像，相加所述的多个初始星点图像，最终得到所述的星点图像。

3.根据权利要求2所述的波前编码成像系统焦面位置的测试方法，其特征还在于：所述的数据拟合过程如下：

将测量位置和与测量位置对应的相位值与公式进行数据拟合：

其中，为相位值(相位传递函数在确定空间频率处的值)，Z为测量位置。

4.一种应用如权利要求3所述的波前编码成像系统焦面位置测试方法的装置，其特征在于包括：带有星点孔的单色平行光源、含有波前编码相位板的镜头和采集所述镜头上星点像的摄像头，该摄像头与所述镜头的间距可调；

测试焦面位置时，调节摄像头与镜头的间距，获取不同间距对应的光学传递函数，通过结合光学传递函数在确定空间频率处的相位值和间距对公式

进行数据拟合，拟合曲线中的最高点即为焦面位置。

5.根据权利要求4所述的一种波前编码成像系统焦面位置测试装置，其特征还在于所述的单色平行光源依次包括：光源、滤光片、星点孔和准直物镜。