CN106802230A - 一种光电成像系统动态传递函数测量方法及靶标 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电成像系统成像质量性能评价技术领域，具体涉及一种光电成像系统动态传递函数测量方法及靶标。该方法可以通过单幅靶标图像解算出光电成像系统在多个频率、多个运动线速度条件下的MTF值，通过图像序列可以解算出光电成像系统在不同方向上的MTF值，通过有规律地控制靶标旋转角速度，解算同一运动线速度下，光电成像系统对不同频率靶标的MTF值。
Description
一、技术领域
本发明涉及光电成像系统成像质量性能评价技术领域，具体涉及一种光电成像系统动态传递函数测量方法及靶标。
二、背景技术：
光学系统调制传递函数(MTF)与星点检验、分辨率、几何像差等像质检验方法相比，可以全面反映成像系统的成像性能，是被广泛采用的评价光学系统成像质量的标准方法之一。根据MTF检测时所采用的目标靶标可将MTF检测分为点光源法、狭缝法、刀口法及栅条法等。除栅条法外，其他方法MTF均是通过光学系统点扩散函数傅里叶变换求解。这些方法的前提条件是光学系统的系统模型满足线性空间不变系统。光学系统与数字成像传感器组合形成光电成像系统。数字成像系统图像采集过程对图像二维空间坐标进行采样，最后输出数字图像。理论上，数字成像系统不是线性空间不变系统。只有当数字成像传感器的像元尺寸小于光学系统最小可分辨空间尺寸的二分之一以上时，可以用线性空间不变系统模型近似。
动态调制传递函数(MTF)是成像系统观测运动目标、或自身载体摇摆振动时、或两种运动同时存在时针对动态场景成像能力的评估参数。由于光电成像系统数字成像传感器具有一定的时延特性，光电成像系统的动态调制传递函数与静态调制传递函数存大差异。当相对运动速度较大时，两者之间存在较大差异。栅条法(如四杆靶法)的数据解算基于图像中灰度的最大值与最小值，对系统模型没有严格要求，常用于动态MFT的测量。现有的栅条法每个靶标只能表示一种频率，若需进行不同频率测量时，需制作多个靶标，通过不同靶标切换，获得不同频率下MTF值。每次测量只能测量单个频率单一方面(水平或垂直)的值。对于多频率不同方向不同运动速度等组合条件下，光电成像系统动态MTF测量，现有的技术只能将条件分解，通过单个条件所测MTF数据的综合分析，获得组合条件下的MTF。
三、发明内容
本发明的技术目的是针对组合条件下动态MTF测量现有技术创造的缺陷或不足，提供一种光电成像系统动态传递函数测量方法及靶标，该方法可以通过单幅靶标图像解算出光电成像系统在多个频率、多个运动线速度条件下的MTF值，通过图像序列可以解算出光电成像系统在不同方向上的MTF值，通过有规律地控制靶标旋转角速度，解算同一运动线速度下，光电成像系统对不同频率靶标的MTF值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光电成像系统动态传递函数测量用靶标，其特征在于：所述的靶标采用圆形靶面，靶标的靶面上设置有若干个圆周线将靶面分成N层，沿圆周线方向每隔90°的位置设置有放射状的栅条靶标，栅条靶标的频率根据被检光电成像系统检测要求进行设计，在栅条靶标的有效区域内，在给定半径的圆周线上，栅条靶标黑白相间且长度相等，离圆心最近的圆周线至圆心部分为非通光靶标图案区域；
放射状的栅条靶标同时满足：在N层靶标图案中，满足设计确定比例关系的半径所确定的圆周线与栅条靶标图案的交线，形成一定频率的靶标曲线，且频率比为1：3：5：…:2N-1。
一种靶标安装的旋转机构，包括靶标、中空套筒、轴承、带轮和步进电机，所述的靶标设置于中空套筒上，中空套管与轴承的内圈之间通过过盈配合连接，中孔套筒与带轮之间通过螺钉连接机构连接，带轮与步进电机之间通过电机主动轮和传动带连接，带轮通过步进电机进行匀速或匀加速运动。
所述的所述中空套筒和带轮均为中空零件，中空区域为靶标的通光孔区域。
所述轴承为径向游隙小于0.01mm的轴承机构，外圈固定于支座上。
所述靶标、中空套筒通过带轮带动旋转。
所述的一种光电成像系统动态传递函数的测量方法包括以下步骤：
步骤1、根据对象MTF测试要求，设置步进电机14旋转匀速角速度，使靶标1旋转的角速度之比满足靶标曲线频率比，并采集图像序列；
步骤2、靶标为N层靶标，可在靶标中确定频率为f,3f,...,(2N-1)f的圆周线图像灰度值数组：
根据靶标半径关系，靶标为N层靶标，在靶标1最外侧圆周线和与其相邻圆周线之间确定要计算的MTF的频率值f及其在靶标上的径向位置，同时在从外侧圆周线数第二个圆周线和与其相邻的靠近靶心的之间确定3倍f的径向位置，在从外侧圆周线数第三个圆周线和其相邻的靠近靶心的之间确定5倍f的径向位置，以此类推，以N个径向位置到靶标中心的距离为半径，虚拟画圆得到N个圆周线，应用图像处理的方法，获得N个圆周所有点的图像灰度值数组；
步骤3、将所有图像序列所有靶标图像按第二步的步骤处理；
步骤4、将线速度相同，频率比为1：3：5：…:2N-1的图像灰度值数组组成一组；
步骤5，识别每一个图像灰度值数组灰度值的最大值Imax(f)，Imax(3f)，Imax(5f),…,Imax[(2N-1)f]和最小值Imin(f)，Imin(3f)，Imin(5f),…,Imin[(2N-1)f]；
步骤6，计算像方调制度
步骤7，计算对比传递函数CTF(F)＝M像(F)/M物(F)，CTF(3F)＝M像(3F)/M物(3F)，CTF(F)＝M像(5F)/M物(5F),…,CTF(F)＝M像[(2N-1)f]/M物[(2N-1)f]；
步骤8，计算MTF，得到一个频率和一个线速度的数据。
选定多个频率在靶标上的位置，重复步骤2至步骤8，即可得到同一线速度下，其它频率处的MTF值。
根据角速度与线速度之间关系和不同频率图案在靶标上的位置，等比例地设定步进电机(转速，重复步骤1至步骤8，可获得同一频率在不同线速度下的MTF值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
本发明通过设计的满足一定频率比率且频率连续变化的圆型靶标，应用步进电机作为旋转动力源和旋转运动方案控制机构，实现与频率比率相对应的旋转运动，通过采集的不同旋转角速度下图像序列，可以解算出被检系统在同一线速度下针对不同频率目标的MTF，绘制出同一线速度下MTF随不同频率变化的MTF曲线，也可以解算出被检系统针对同一频率目标在不同线速度下的MTF曲线，同时通过对检测原始数据分类，可以解算出被检系统针对水平位置处的目标、垂直位置处的目标及360度圆周上其他位置处目标的MTF。
本发明通过步进电机旋转运动控制与靶标上放射状的栅条图案的配合，可以检测出被检系统针对不同运动速度、不同空间频率目标、不同空间方位目标的MTF，是一种被检光电系统针对观测动目标在多变化参数条件下检测MTF的有效方法。
四、附图说明：
图1为圆型靶标放射状的栅条图案分布图；
图2为圆型靶标安装的旋转机械机构组成图；
图3为圆型靶标旋转动力传递机构组成图；
图4为被检产品MTF测量时的系统组成图。
五、具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种光电成像系统动态传递函数测量用靶标，靶标1采用圆形靶面，沿圆周线方向每隔90°的位置绘有放射状的栅条靶标。
以三层放射状栅条靶标图案为例(参见图1)，靶标图案特征描述如下：
圆形靶面用圆周线Ⅰ2、圆周线Ⅱ3、圆周线Ⅲ4、圆周线Ⅳ5分成了四个区域。沿圆形靶面的径向，从圆周线Ⅰ2到圆周线Ⅱ3，栅条靶标的频率由5lp/mm连续变化到50lp/mm(根据被检光电成像系统检测要求进行设计)，沿圆周方向，栅条靶标黑白(黑表示不透光，白表示透光)相间，长度相等。
沿圆形靶面的径向，从圆周线Ⅱ3到圆周线Ⅲ4，栅条靶标的频率由15lp/mm连续变化到150lp/mm。沿圆周方向，栅条靶标黑白相间长度相等。
沿圆形靶面的径向，从圆周线Ⅲ4到圆周线Ⅳ5，栅条靶标的频率由25lp/mm连续变化到250lp/mm。沿圆周方向，栅条靶标黑白相间长度相等。
若在圆周线2与圆周线3之间取一点P，其到圆形靶面圆心的半径为R，则以R、为半径画圆周，三个圆周与栅条靶标图案相交所形成的靶标曲线频率之比满足1：3：5。
圆周线5内部为非通光靶标图案区域。
本发明在实施过程中，根据MTF测量精度要求，放射状栅条靶标图案可设计成2层、3层、4层等靶标系统。
2层靶标中通过确定半径的比例关系所确定的圆周线与栅条靶标图案的交线，可形成靶标曲线频率比为1：3。
3层靶标中通过确定半径的比例关系所确定的圆周线与栅条靶标图案的交线，可形成靶标曲线频率比为1：3：5。
4层靶标中通过确定半径的比例关系所确定的圆周线与栅条靶标图案的交线，可形成靶标曲线频率比为1：3：5：7。
N层靶标中通过确定半径的比例关系所确定的圆周线与栅条靶标图案的交线，可形成靶标曲线频率比为1：3：5：…:2N-1。
一种靶标安装的旋转机构(参见图2和图4)，所述靶标1安装在中空套筒6上，中空套筒6与轴承7的内圈之间通过过盈配合联接，中孔套筒6与带轮8之间通过螺钉联接机构9联接，所述的中空套筒7和带轮8均为中空零件，中空区域为靶标的通光孔区域10，所述轴承7为径向游隙小于0.01mm的轴承机构，其外圈固定于支座11上，靶标1、中空套筒6可通过带轮8带动旋转，带轮8与步进电机14之间通过电机主动轮13和传动带12联接，带轮8可通过步进电机14进行匀速或匀加速等运动。
参见图4，靶标及其旋转运动机构置于积分球15和平行光管16之间，积分球发出的光透过靶标，穿过靶标通光孔区域10射入平行光管，通过定制设计与研制装调，靶标平面位于平行光管焦平面上，并与焦平面高度重合。积分球的出光口径大于靶标平面，同时大于平行光管的有效靶面。被检光电成像系统17安装固定在振动摇摆台18上，通过调整其口径对准平行光管16的物镜通光口。当圆型靶标1在步进电机14带动下旋转时，为被检光电成像系统提供无穷远的旋转运动目标。
积分球15的出光口具有极高的光照均匀性，一般要求其出光口处光照均匀性不小于98％，确保不同区域靶标物方调制度M物具有极高的一致性。因光源照度不均匀所引起的系统误差，应用高精度的照度计对平行光管物镜通光口处进行测量校正。
应用上述装置，一种光电成像系统动态传递函数的测量方法，可针对下述的两种具体要求进行测量：一个是同一线速度下，不同频率的MTF测量需求；另一个是不同线速度下，同一频率的MTF测量需求。
实施例1：同一线速度下，不同频率的MTF测量时，一种光电成像系统动态传递函数的测量方法，依次包括下述步骤：
步骤1：以靶标上所能选取的最小频率f为基准，确定旋转半径r，计算出旋转角速度ω，分别以ω，3ω，5ω，为角速度，设定步进电机匀速旋转的角速度。完成测量过程，采集三组图像数据序列。
步骤2、若靶标为N层靶标，可在靶标中确定频率为f,3f,...,(2N-1)f的圆周线图像灰度值数组。
根据靶标半径关系，靶标为3层靶标，在靶标1圆周线Ⅰ2和圆周线Ⅱ3之间确定要计算的MTF的频率值f及其在靶标上的径向位置，同时在圆周线Ⅱ3和圆周线Ⅲ4之间确定3倍f的径向位置，在圆周线Ⅲ4和圆周线Ⅳ5之间确定5倍f的径向位置，以三个径向位置到靶标中心的距离为半径，虚拟画圆得到三个圆周线，应用图像处理的方法，获得三个圆周所有点的图像灰度值数组。
步骤3、将所有图像序列所有靶标图像按第二步的步骤处理。
步骤4、将线速度相同，频率比为1：3：5：…：(2N-1)的图像灰度值数组组成一组。
步骤5，识别每一个图像灰度值数组灰度值的最大值Imax(f)，Imax(3f)，Imax(5f),…,Imax[(2N-1)f]和最小值Imin(f)，Imin(3f)，Imin(5f),…,Imin[(2N-1)f]。
步骤6，计算像方调制度
步骤7，计算对比传递函数CTF(f)＝M像(f)/M物(f)，CTF(3f)＝M像(3f)/M物(3f)，CTF(5f)＝M像(5f)/M物(5f),…,CTF[(2N-1)f]＝M像[(2N-1)f]/M物[(2N-1)f]。
步骤8，计算MTF，
，得到一个频率和一个线速度的数据；
选定多个频率在靶标上的位置，重复步骤2至步骤8，即可得到同一线速度下，其它频率处的MTF值，最终求解某一线速度下被检系统的MTF曲线。
实施例2：
同一频率，不同线速度下MTF测量时，一种光电成像系统动态传递函数的测量方法，依次包括下述步骤：
步骤1、根据对象MTF测试要求，设置步进电机14旋转匀速角速度，使靶标1旋转的角速度之比满足靶标曲线频率比，并采集图像序列。
步骤2、若靶标为N层靶标，可在靶标中确定频率为f,3f,...,(2N-1)f的圆周线图像灰度值数组。
根据靶标半径关系，靶标为3层靶标，在靶标1圆周线Ⅰ2和圆周线Ⅱ3之间确定要计算的MTF的频率值f及其在靶标上的径向位置，同时在圆周线Ⅱ3和圆周线Ⅲ4之间确定3倍f的径向位置，在圆周线Ⅲ4和圆周线Ⅳ5之间确定5倍f的径向位置，以三个径向位置到靶标中心的距离为半径，虚拟画圆得到三个圆周线，应用图像处理的方法，获得三个圆周所有点的图像灰度值数组。
步骤3、将所有图像序列所有靶标图像按第二步的步骤处理。
步骤4、将线速度相同，频率比为1：3：5：…：(2N-1)的图像灰度值数组组成一组。
步骤5，识别每一个图像灰度值数组灰度值的最大值Imax(f)，Imax(3f)，Imax(5f),…,Imax[(2N-1)f]和最小值Imin(f)，Imin(3f)，Imin(5f),…,Imin[(2N-1)f]。
步骤6，计算像方调制度
步骤7，计算对比传递函数CTF(f)＝M像(f)/M物(f)，CTF(3f)＝M像(3f)/M物(3f)，CTF(5f)＝M像(5f)/M物(5f),…,CTF[(2N-1)f]＝M像[(2N-1)f]/M物[(2N-1)f]。
步骤8，计算MTF，
，得到一个频率和一个线速度的数据；
根据角速度与线速度之间关系和不同频率图案在靶标上的位置，等比例地设定步进电机14转速，重复步骤1至步骤8，可获得同一频率在不同线速度下的MTF值。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光电成像系统动态传递函数测量用靶标，其特征在于：所述的靶标(1)采用圆形靶面，靶标(1)的靶面上设置有若干个圆周线将靶面分成N层，沿圆周线方向每隔90°的位置设置有放射状的栅条靶标，栅条靶标的频率根据被检光电成像系统检测要求进行设计，在栅条靶标的有效区域内，在给定半径的圆周线上，栅条靶标黑白相间且长度相等，离圆心最近的圆周线至圆心部分为非通光靶标图案区域；
放射状的栅条靶标同时满足：在N层靶标图案中，满足设计确定比例关系的半径所确定的圆周线与栅条靶标图案的交线，形成一定频率的靶标曲线，且频率比为1：3：5：…:2N-1。
2.一种靶标安装的旋转机构，其特征在于：包括靶标(1)、中空套筒(6)、轴承(7)、带轮(8)和步进电机(14)，所述的靶标(1)设置于中空套筒(6)上，中空套管(6)与轴承(7)的内圈之间通过过盈配合连接，中孔套筒(6)与带轮(8)之间通过螺钉连接机构(9)连接，带轮(8)与步进电机(14)之间通过电机主动轮(13)和传动带(12)连接，带轮(8)通过步进电机(14)进行匀速或匀加速运动。
3.根据权利要求2所述的一种靶标安装的旋转机构，其特征在于：所述的所述中空套筒(7)和带轮(8)均为中空零件，中空区域为靶标的通光孔区域(10)。
4.根据权利要求3所述的一种靶标安装的旋转机构，其特征在于：所述轴承(7)为径向游隙小于0.01mm的轴承机构，外圈固定于支座(11)上。
5.根据权利要求4所述的一种靶标安装的旋转机构，其特征在于：所述靶标(1)、中空套筒(6)通过带轮(8)带动旋转。
6.根据权利要求1所述的一种光电成像系统动态传递函数的测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、根据对象MTF测试要求，设置步进电机14旋转匀速角速度，使靶标1旋转的角速度之比满足靶标曲线频率比，并采集图像序列；
步骤2、靶标为N层靶标，可在靶标中确定频率为f,3f,...,(2N-1)f的圆周线图像灰度值数组：
根据靶标半径关系，靶标为N层靶标，在靶标1最外侧圆周线和与其相邻圆周线之间确定要计算的MTF的频率值f及其在靶标上的径向位置，同时在从外侧圆周线数第二个圆周线和与其相邻的靠近靶心的之间确定3倍f的径向位置，在从外侧圆周线数第三个圆周线和其相邻的靠近靶心的之间确定5倍f的径向位置，以此类推，以N个径向位置到靶标中心的距离为半径，虚拟画圆得到N个圆周线，应用图像处理的方法，获得N个圆周所有点的图像灰度值数组；
步骤3、将所有图像序列所有靶标图像按第二步的步骤处理；
步骤4、将线速度相同，频率比为1：3：5：…:2N-1的图像灰度值数组组成一组；
步骤5，识别每一个图像灰度值数组灰度值的最大值Imax(f)，Imax(3f)，Imax(5f),…,Imax[(2N-1)f]和最小值Imin(f)，Imin(3f)，Imin(5f),…,Imin[(2N-1)f]；
步骤6，计算像方调制度
步骤7，计算对比传递函数CTF(F)＝M像(F)/M物(F)，CTF(3F)＝M像(3F)/M物(3F)，CTF(F)＝M像(5F)/M物(5F),…,CTF(F)＝M像[(2N-1)f]/M物[(2N-1)f]；
步骤8，计算MTF，得到一个频率和一个线速度的数据。
7.根据权利要求6所述的一种光电成像系统动态传递函数的测量方法，其特征在于：选定多个频率在靶标上的位置，重复步骤2至步骤8，即可得到同一线速度下，其它频率处的MTF值。
8.如权利要求6所述的一种光电成像系统动态传递函数的测量方法，其特征在于：根据角速度与线速度之间关系和不同频率图案在靶标上的位置，等比例地设定步进电机(14)转速，重复步骤1至步骤8，可获得同一频率在不同线速度下的MTF值。
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