CN106596073B - 一种检测光学系统像质的方法和系统及一种测试标板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测光学系统像质的方法和系统及一种测试标板，该系统包括标准物、图像采集单元和图像分析单元；标准物位于被测试光学系统的物方焦距处；标准物为带有驱动电路的显示屏，驱动电路驱动显示屏显示用于测量光学系统多种光学参数的图形；或者，标准物包括测试标板和面光源，测试标板位于面光源与被检测的光学系统之间，在面光源的照射下，测试标板显示用于测量光学系统多种光学参数的图形；图像采集单元位于光学系统的像方，通过一次拍摄采集光学系统所成的标准物的像；图像分析单元获取并分析图像采集单元采集到的图像，获取反映光学系统像质的参数。相比于人眼的主观评价，本方案客观有效，重复率好，适用于批量化的检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种检测光学系统像质的方法和系统及一种测试标板。
背景技术
市场上虚拟现实产品种类越来越多，终端用户的使用体验也参差不齐。在众多影响用户体验的因素中，近眼光学系统的成像质量将是最为重要的。良好的成像质量会给用户带来较强的现实感和沉浸感，提升体验质量。
现有的对于光学系统像质的评价方案中，多是基于仿真软件，对所设计的光学系统就MTF、点扩散函数等进行评价，此方式仅基于理论评价，无法就实际生产中的产品进行准确测量。
发明内容
本发明提供了一种检测光学系统像质的方法和系统及一种测试标板，以解决现有的对于光学系统像质的评价方案仅基于理论评价，无法就实际生产中的产品进行准确测量的问题。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种检测光学系统像质的系统，包括：标准物、图像采集单元、图像分析单元；
所述标准物位于所述光学系统的物方焦距处；所述标准物为带有驱动电路的显示屏，所述驱动电路驱动所述显示屏显示用于测量光学系统多种光学参数的图形；或者，所述标准物包括测试标板和面光源，所述测试标板位于所述面光源与被检测的光学系统之间，在所述面光源的照射下，所述测试标板显示用于测量光学系统多种光学参数的图形；
所述图像采集单元位于所述光学系统的像方，用于通过一次拍摄采集所述光学系统所成的所述标准物的像；
所述图像分析单元，用于获取并分析所述图像采集单元采集到的图像，获取反映所述光学系统像质的参数。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种测试标板，在光源照射下，所述测试标板显示用于检测光学系统的多种光学参数的图形；
所述图形是以纯黑色为背景色的矩形，并以矩形的水平中心线和垂直中心线对称；
矩形中心和四角分别设置有棋盘格区，在各棋盘格区的水平和垂直方向上设置有黑白条纹带，所述黑白色条纹带包含不同频率的黑白线对，各频率的黑白线对所占面积相等；
在矩形中心的棋盘格区和黑白条纹带隔离成的4个象限中，分别设置有2*3的方块矩阵，所述方块的颜色与24色标准色板对应；
在矩形四角的黑白条纹带与矩形中心的黑白条纹带之间设置有若干同心的白色矩形网格。
根据本发明的又一个方面，本发明提供了一种检测光学系统像质的方法，包括：
搭建用于检测光学系统像质的无光环境；
在所述光学系统的物方焦距处放置标准物；所述标准物为带有驱动电路的显示屏，所述驱动电路驱动所述显示屏显示用于测量光学系统多种光学参数的图形；或者，所述标准物包括测试标板和面光源，所述测试标板位于所述面光源与被检测的光学系统之间，在所述面光源的照射下，所述测试标板显示用于测量光学系统多种光学参数的图形；
在所述光学系统的像方放置相机，在无光环境下，利用所述相机通过一次拍摄采集所述光学系统所成的所述标准物的像；
获取并分析所述相机采集到的图像，获取反映所述光学系统像质的参数。
本发明的有益效果是：本发明实施例将测试标板或可以显示测试图形的显示屏作为标准物置于被检测光学系统的物方焦距处，该图形包含了测量不同光学参数的多个图像特征，在像方使用CCD相机等通过一次拍摄采集标准物的像，最后利用计算机内置的图像处理分析软件分析该图像，获取反映被检测的光学系统像质的一组参数，相比于人眼的主观评价，本方案客观有效，重复率好；相对比精密测量仪器，本方案速度快，效率高，适用于批量化的检测。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的一种检测光学系统像质的系统的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的一种测试标板的示意图；
图3是本发明一个实施例提供的一种检测光学系统像质的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的设计构思是：现有的对于光学系统像质的评价方案多是基于仿真软件，对光学系统就MTF、点扩散函数等进行评价，此方式仅基于理论评价，无法就实际生产中的产品进行准确测量。针对这种情况，本发明将测试标板或可以显示测试图形的显示屏作为标准物置于被检测光学系统的物方焦距处，该图形包含了测量不同光学参数的多个图像特征，在像方使用CCD相机通过一次拍摄采集标准物的像，最后利用计算机内置的图像处理分析软件分析该图像，获取反映被检测的光学系统像质的一组参数，相比于人眼的主观评价，本方案客观有效，重复率好；相对比精密测量仪器，本方案速度快，效率高，适用于批量化的检测。
实施例一
图1是本发明一个实施例提供的一种检测光学系统像质的系统的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的检测光学系统像质的系统包括：标准物110、图像采集单元120、图像分析单元130。
标准物110放置于光学系统的物方焦距处，标准物110可以包括测试标板和面光源，测试标板位于面光源与被检测的光学系统之间，在面光源的照射下，测试标板显示用于测量光学系统多种光学参数的图形；标准物110也可以是带有驱动电路的显示屏，驱动电路驱动显示屏显示用于测量光学系统多种光学参数的图形，例如显示与分辨率板等大相同的测试图案作为物。
图像采集单元120位于光学系统的像方，用于通过一次拍摄采集光学系统所成的标准物110的像。图像采集单元120可以是CCD相机或CMOS相机，模拟人眼，一般情况下CCD相机的成像质量好于CMOS相机，因此使用CCD相机效果更佳，标准物110位于物方焦距处，包含物体信息的光线通过被检测光学系统传递后变为平行光，被CCD相机获取成像于传感器处，所需相机最小视场要求可通过被检测光学系统及配合使用的显示屏或测试标板尺寸计算得出。CCD相机的分辨率需要远大于标准物110的显示屏或测试标板的分辨率，若标准物110为显示屏，则CCD相机的传感器的分辨率应当远大于显示屏的分辨率，即保证显示屏的每个像素点经光学系统后至少被传感器的其中一个像素点所识别。
CCD相机的视场范围应足够大，可对测试标板或显示屏通过光学系统的像完全获取，相机镜头的入瞳在镜头的前段，镜头畸变小，低于1％，与被检测光学系统相比可忽略，色彩还原性及分辨率高，CCD相机的MTF曲线已知，通过光学系统串联级联效果，被检测光学系统的MTF为总系统的MTF与CCD相机的比值。
图像分析单元130，用于获取并分析图像采集单元120采集到的图像，获取反映光学系统像质的参数。在优选实施例中，图像分析单元130包括图像采集卡131和计算机132。图像采集卡131获取图像采集单元120采集的图像，计算机132将图像采集卡131采集的图像显示在显示器上，之后计算机132通过内置的图像处理分析软件，利用软件算计对图像进行分析处理，根据采集的图像得到代表被检测光学系统像质的有一组参数，例如可以包括MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)、对比度、分辨率、亮度均匀性、畸变、色彩还原度及饱和度等。CCD相机通过一次性拍摄得到光学系统所成的像，经过软件算法处理即可获得反映被检测光学系统像质的参数所需时间较短，可达到快速检测和评价的效果，可广泛应用于商业生产的过程中。相比于人眼的主观评价，本方法客观有效，重复率好；相对比精密测量仪器，该方法速度快，效率高，适用于批量化的检测。
优选实施例中还包括用于提供无光环境的遮光单元140。标准物110、图像采集单元120以及被检测的光学系统置于遮光单元140提供的无光环境中，使整个图像采集的过程在无光环境下进行，防止外界光线对检测结果产生影响。
进一步优选地，在使用本实施例的检测光学系统像质的系统评价光学系统像质之前，还应当对该系统进行标定，即校准该系统，降低系统误差，提高系统检测的精确度。可以选取一参数已知的样本光学系统，例如经过精密的测量设备检测过的光学系统。利用本实施例提供的检测光学系统像质的系统检测该样本光学系统像质，获取样本光学系统的参数的检测值，如MTF、畸变等，通过将样本光学系统参数的检测值和实际值进行对比，即可对本实施例提供的检测光学系统像质的系统进行标定，降低CCD相机/COMS相机和图像采集卡等部件引入的系统误差，使之后的检测结果更精确。
实施例二
图2是本发明一个实施例提供的一种测试标板的示意图，如图2所示，本实施例提供的测试标板在光源照射下可以显示用于检测光学系统的多种光学参数的图形，该图形包含了测量不同光学参数的多个图像特征。
测试标板显示的图形是以纯黑色为背景色的矩形，并以矩形的水平中心线和垂直中心线对称。
矩形中心和四角分别设置有棋盘格区，用于测量光学系统的对比度。在一具体的实施例中，矩形中心的棋盘格区的中心设置有一白色方块，矩形四角的棋盘格区设置有2*2的黑白相间的方块。通过将四角与中心的亮度进行对比可以得到相对亮度
其中Icenter表示中心视场的最大亮度，Icorner表示四角的亮度。
在图案的中心和四角，各棋盘格区的水平和垂直方向上，设置有黑白条纹带，用于测量光学系统的MTF和分辨率，黑白色条纹带包含不同频率的黑白线对，各频率的黑白线对所占面积相等。在一具体的实施例中，黑白色条纹带中设置有5种不同频率的黑白线对，以棋盘格区为中心由外到内各频率间的关系为：1:1.5:2:3:6。该测试图案可允许同时测量子午和弧矢两个方向的成像质量，并且可同时测量轴上视场和轴外视场的像质。通过对比某一频率下的成像前后的黑白条纹的对比度得到MTF值，
其中Imax和Imin分别为被检测光学系统所成的像的光强最大值与最小值。该测试图形包含了多个频率下的成像质量，既可对某一特定频率进行评价，又可根据多个点下的像质进行拟合后的MTF曲线。
在矩形中心的棋盘格区和黑白条纹带隔离成的4个象限中，分别设置有2*3的方块矩阵，方块的颜色与24色标准色板对应，用于测量光学系统色彩还原度。可通过软件分析所成像的色彩饱和度与色彩误差来判定色彩还原是否符合要求，在Lab色度空间，主要指标为色差
色彩饱和度
其中a*和b*为标准值。
在矩形四角的黑白条纹带与矩形中心的黑白条纹带之间设置有若干同心的白色矩形网格，在一具体的实施例中，网格分别位于被检测光学系统的最大视场、0.7视场和0.5视场，网格用于测量光学系统的畸变，计算畸变的公式为
其中ΔH为子午或弧矢方向的最大变形量，H为初始变形前图形大小。
对于无色度学特征的参数，如畸变、MTF、对比度等，可以先将获取到的图像转化为灰度图(grey0～grey255)，然后通过软件实现对图像的分析。本实施例中，如网格的大小和黑白条纹的间距可根据被检测光学系统的特点和感兴趣的参数进行调节和设置。
本实施例提供的测试标板在光源照射下可以显示出包含了测量不同光学参数的多个图像特征的测试图形，通过CCD相机一次拍摄采集经被检测光学系统所成的像，并将像显示于显示屏上，经软件算法的处理可一次性得到反映被测系统像质的一组参数，检测效率高，适用于批量化生产。
实施例三
图3是本发明一个实施例提供的一种检测光学系统像质的方法的流程图，如图3所示，本实施例提供的检测光学系统像质的方法包括：
步骤S310：搭建用于检测光学系统像质的无光环境，防止外界光线对检测结果产生影响。
步骤S320：在被检测的光学系统的物方焦距处放置标准物，使包含物体信息的光线通过被检测光学系统传递后变为平行光。
标准物可以为带有驱动电路的显示屏，驱动电路驱动显示屏显示用于测量光学系统多种光学参数的图形；或者，标准物包括测试标板和面光源，测试标板位于面光源与被检测的光学系统之间，在面光源的照射下，测试标板显示用于测量光学系统多种光学参数的图形。相机的分辨率应远大于显示屏或测试标板的分辨率。
步骤S330：在被检测的光学系统的像方放置相机，在无光环境下，利用该相机通过一次拍摄采集该光学系统所成的标准物的像。一般情况下CCD相机成像质量更好，测试结果更精确。
步骤S340：获取并分析相机采集到的图像，获取反映光学系统像质的参数。本发明一优选实施例利用图像采集卡将相机拍摄的图像输入计算机，利用计算机将采集到的图像显示在显示器上，通过计算机内置的图像处理分析软件对图像进行分析处理，最终获取系统像质的参数，如MTF、对比度、分辨率、亮度均匀性、畸变、色彩还原度及饱和度等。
优选地，在开始评价被检测的光学系统像质之前，还应当对该系统进行标定，即校准该系统，降低系统误差，提高系统检测的精确度。因此本优选实施例中，还选取一参数已知的样本光学系统，例如经过精密的测量设备检测过的光学系统，检测该样本光学系统像质，获取样本光学系统的参数的检测值，如MTF、畸变等，通过将样本光学系统参数的检测值和实际值进行对比，对本实施例提供的检测光学系统像质的系统进行标定，降低相机和图像采集卡等部件引入的系统误差，使之后的检测结果更精确。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种检测光学系统像质的系统，其特征在于，所述系统包括：标准物、图像采集单元、图像分析单元；
所述标准物位于所述光学系统的物方焦距处；所述标准物包括测试标板和面光源，所述测试标板位于所述面光源与被检测的光学系统之间，在所述面光源的照射下，所述测试标板显示用于测量光学系统多种光学参数的图形，所述图形是以纯黑色为背景色的矩形，并以矩形的水平中心线和垂直中心线对称，矩形中心和四角分别设置有棋盘格区，在各棋盘格区的水平和垂直方向上设置有黑白条纹带，所述黑白条纹带包含不同频率的黑白线对，各频率的黑白线对所占面积相等，在矩形中心的棋盘格区和黑白条纹带隔离成的4个象限中，分别设置有2*3的方块矩阵，所述方块的颜色与24色标准色板对应，在矩形四角的黑白条纹带与矩形中心的黑白条纹带之间设置有若干同心的白色矩形网格；
所述图像采集单元位于所述光学系统的像方，用于通过一次拍摄采集所述光学系统所成的所述标准物的像；
所述图像分析单元，用于获取并分析所述图像采集单元采集到的图像，获取反映所述光学系统像质的参数。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于提供无光环境的遮光单元；所述标准物、所述图像采集单元以及被检测的光学系统置于所述遮光单元提供的无光环境中。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像采集单元为CCD相机或CMOS相机；所述CCD相机或所述CMOS相机的分辨率远大于所述测试标板的分辨率。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像分析单元包括图像采集卡和计算机；
所述图像采集卡，用于获取所述图像采集单元采集的图像；
所述计算机，用于将所述图像采集卡采集的图像显示在显示器上，并根据所述图像获取所述光学系统像质的参数；所述参数包括MTF、对比度、分辨率、亮度均匀性、畸变、色彩还原度及饱和度中的多种。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述计算机还用于根据对样本光学系统的检测结果以及所述 样本光学系统的实际物理参数，对所述检测光学系统像质的系统进行标定。
6.一种测试标板，其特征在于，在光源照射下，所述测试标板显示用于检测光学系统的多种光学参数的图形；
所述图形是以纯黑色为背景色的矩形，并以矩形的水平中心线和垂直中心线对称；
矩形中心和四角分别设置有棋盘格区，在各棋盘格区的水平和垂直方向上设置有黑白条纹带，所述黑白条纹带包含不同频率的黑白线对，各频率的黑白线对所占面积相等；
在矩形中心的棋盘格区和黑白条纹带隔离成的4个象限中，分别设置有2*3的方块矩阵，所述方块的颜色与24色标准色板对应；
在矩形四角的黑白条纹带与矩形中心的黑白条纹带之间设置有若干同心的白色矩形网格。
7.如权利要求6所述的测试标板，其特征在于，
矩形中心的棋盘格区的中心设置有一白色方块，矩形四角的棋盘格区设置有2*2的黑白相间的方块；
黑白条纹带中设置有5种不同频率的黑白线对，以棋盘格区为中心由外到内各频率间的关系为：1:1.5:2:3:6。
8.一种检测光学系统像质的方法，其特征在于，所述方法包括：
搭建用于检测光学系统像质的无光环境；
在所述光学系统的物方焦距处放置标准物；所述标准物包括测试标板和面光源，所述测试标板位于所述面光源与被检测的光学系统之间，在所述面光源的照射下，所述测试标板显示用于测量光学系统多种光学参数的图形，所述图形是以纯黑色为背景色的矩形，并以矩形的水平中心线和垂直中心线对称，矩形中心和四角分别设置有棋盘格区，在各棋盘格区的水平和垂直方向上设置有黑白条纹带，所述黑白条纹带包含不同频率的黑白线对，各频率的黑白线对所占面积相等，在矩形中心的棋盘格区和黑白条纹带隔离成的4个象限中，分别设置有2*3的方块矩阵，所述方块的颜色与24色标准色板对应，在矩形四角的黑白条纹带与矩形中心的黑白条纹带之间设置有若干同心的白色矩形网格；
在所述光学系统的像方放置相机，在无光环境下，利用所述相机通过一次拍摄采集所述光学系统所成的所述标准物的像；
获取并分析所述相机采集到的图像，获取反映所述光学系统像质的参数。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述获取并分析所述相机采集到的图像，获取反映所述光学系统像质的参数，具体包括：
利用图像采集卡将所述相机拍摄的图像输入计算机，利用所述计算机将所述图像显示在显示器上，并根据所述图像获取系统像质的参数；所述参数包括MTF、对比度、分辨率、亮度均匀性、畸变、色彩还原度及饱和度中的多种。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在检测某一光学系统像质之前，预先获取参数已知的样本光学系统；
检测所述样本光学系统像质，获取所述样本光学系统的参数的检测值；
对比所述样本光学系统参数的检测值和实际值，对检测过程中使用的检测系统进行标定。
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