CN106840617A - 变频栅条靶标及其光电成像系统动态传递函数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电成像系统成像质量性能评价技术领域，具体涉及一种变频栅条靶标及其基于变频靶标的光电成像系统动态传递函数测量方法。本发明包括变频栅条靶标，靶标采用矩形栅条靶标图案，图案的整体分布为栅条的空间频率逐渐增大或逐渐减少。本发明通过对单个栅条靶标图案宽度进行有规律地逐级递增或递减设计，结合三杆靶法，应用栅条靶标图像傅里叶变换算法，解算出不同频率的MTF值。这种方法可以实现从一幅靶标采集图像中，解算出光电成像系统从低频到高频较宽频率范围的多点MTF值。

Description

变频栅条靶标及其光电成像系统动态传递函数测量方法

一、技术领域

本发明属于光电成像系统成像质量性能评价技术领域，具体涉及一种变频栅条靶标及其基于变频靶标的光电成像系统动态传递函数测量方法。

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不同，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之一。由于光电成像系统数字成像传感器具有一定的时延特性，也就是光电转换需要一定的时间。当目标运动时，光波波前相对于单个光电成像单元的稳定程度较静止目标时有明显下降。因此相同场景下运动目标相当于静目标，图像的对比度降低。从而引起光电成像系统的成像分辨率、光电成像系统的可探测和可识别能力下降。

栅条法(如三杆靶法)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。另外基于栅条法的旋转靶标法(如：专利201710004012.5)也是一种检测动态调制传递函数的有效方法。现有的栅条法每组条纹图只能表示一种频率，若需进行不同频率测量时，需制作多组栅条或多个靶标，通过对不同频率栅条图像进行分析，获得MTF曲线上点的值。每次测量所能测量MTF曲线上点个数受栅条组数的限制，对于大频率范围内MTF测量时，需要多个靶标，且需进行靶标切换。

三、发明内容

本发明针对大频率范围内动态MTF测量现有技术创造的缺陷或不足，提供一种变频栅条靶标及其基于变频靶标的光电成像系统动态传递函数测量方法，该方法通过对单个栅条靶标图案宽度进行有规律地逐级递增或递减设计，结合三杆靶法，应用栅条靶标图像傅里叶变换算法，解算出不同频率的MTF值。这种方法可以实现从一幅靶标采集图像中，解算出光电成像系统从低频到高频较宽频率范围的多点MTF值。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种变频栅条靶标，其特征在于：包括变频栅条靶标，靶标采用矩形栅条靶标图案，图案的整体分布为栅条的空间频率逐渐增大或逐渐减少；

取任意相邻的四条栅条图案，中间两个栅条的宽度相等均为w(2w是所定区域三杆靶栅条的标准周期)，左边栅条的宽度为w-Δ，与左边栅条相邻的非栅条区域宽度为w，右边栅条的宽度为w+Δ，与右边栅条相邻的非栅条区域宽度为w+Δ，Δ为栅条周期宽度变化增量；

取任意相邻三条栅条图案，存在频率递减和频率递增两种情况，三杆靶频率递增图案的右边两个栅条的宽度相等均为w，栅条间的非栅条区域的宽度为w，左边栅条的宽度为w-Δ；三杆靶频率递减图案的左边两个栅条的宽度相等，均为w，左边两栅条间的非栅条区域的宽度为w，右边栅条的宽度为w+Δ，右边栅条与中间栅条间的非栅条区域宽度为w+Δ。

一种基于变频靶标的光电成像系统动态传递函数测量方法包括如下步骤：

步骤1、根据对象MTF测试要求，设定栅条周期宽度变化增量Δ，控制MTF曲线检测点的位置，通过空间光调制器编程实现或制作实物变频栅条靶标；

步骤2、在靶标沿栅条垂直方向运动情况下，采集栅条靶标图像；

步骤3、从采集图像中应用图像处理算法从左向右或从右向左连续截取形成三杆靶图像；

步骤4、从所截取的三杆靶图像中沿栅条垂直方向选取一组或多组图像灰度值形成图像灰度值数组；

步骤5，对每一组图像灰度值数组进行一维离散傅里叶变换，并对变换结果进行取模运算，获得图像灰度值数据的频域幅值曲线M_像；

步骤6，从频率为零点从发，沿频率增大的方向识别图像灰度值数据的频域幅值曲线值为零的第一个点，确定其频率11，记为

步骤7，从图像灰度值数据的频域幅值曲线上确定频率为f处的M_像值13，记为M_像(f)；若步骤4选取的是多组图像灰度值，则对各组图像灰度值数组所求得的M_像(f)进行幅值求平均运算；

步骤8，计算所截取的频率逐级变化的所有三杆靶图像的M_像；

步骤9，应用公式(M_物(f)表示应用上述步骤3至步骤7解算的靶标物方频率为f的物方调制度)，计算出所截取的三杆靶图像代表的所有频率点的MTF值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

本发明通过频率有规律的逐级递增或递减栅条靶标，应用直线运动平台带动靶标往复运动，采集靶标模拟目标在直线运动下的图像，结合MTF测量的三杆靶法，应用栅条靶标图像傅里叶变换算法，从所采集图像中解算出MTF值。这种方法可以实现从一幅靶标采集图像中，解算出光电成像系统从低频到高频较宽频率范围内多点MTF值，且MTF曲线各采样点的值可通过靶标栅条周期宽度变化增量Δ进行设计设定。

本发明较之等频率的栅条靶标，易于实现宽频率范围多采样点的MTF测量。

四、附图说明：

图1为变频栅条靶标图案；

图2为任意相邻的4条靶标图案；

图3为相邻三杆靶标(频率递减)图案；

图4为相邻三杆靶标(频率递增)图案；

图5为被检产品MTF测量时的系统组成图；

图6为标准三杆靶与三杆靶(频率递增)图像的傅里叶变换幅值曲线。

附图标记说明：1、变频靶标，2、任意相邻的4条靶标图区域，3、相邻三杆靶标(频率递减)图区域，4、相邻三杆靶标(频率递增)图区域，5、积分球，6、变频栅条靶标，7、直线运动平台，8、平行光管，9、被检光电成像系统，10、振动摇摆台，11、从频率为零点从发，沿频率增大的方向识别图像灰度值数据的频域幅值曲线值为零的第一个点12、标准三靶标图像灰度数组傅里叶变换曲线(实线)，13、M_像(f)，14、三靶标(频率递增)图像灰度数组傅里叶变换曲线(点划线)。

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。

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。

本发明一种变频栅条靶标，

靶标1采用矩形栅条靶标图案，从图案的整体分布来看，栅条的空间频率逐渐增大或逐渐减少(参见图1)。

取任意相邻的四条栅条图案2，中间两个栅条的宽度相等均为w。左边栅条的宽度为w-Δ，与左边栅条相邻的非栅条区域宽度为w(2w是所定区域三杆靶栅条的标准周期)。右边栅条的宽度为w+Δ，与右边栅条相邻的非栅条区域宽度为w+Δ。Δ为栅条周期宽度变化增量(参见图2)。

取任意相邻三条栅条图案，可能存在频率递减3和频率递增4两种情况，三杆靶(频率递增)图案的右边两个栅条的宽度相等，均为w，栅条间的非栅条区域的宽度为w，左边栅条的宽度为w-Δ。三杆靶(频率递减)图案的左边两个栅条的宽度相等，均为w，左边两栅条间的非栅条区域的宽度为w，右边栅条的宽度为w+Δ，右边栅条与中间栅条间的非栅条区域宽度为w+Δ(参见图3和图4)。

一种基于变频靶标的光电成像系统动态传递函数测量方法包括如下步骤：

步骤1、根据对象MTF测试要求，设定栅条周期宽度变化增量Δ，控制MTF曲线检测点的位置，通过空间光调制器编程实现或制作实物变频栅条靶标。

步骤2、在靶标沿栅条垂直方向运动情况下，采集栅条靶标图像。

步骤3、从采集图像中应用图像处理算法从左向右或从右向左连续截取形成三杆靶图像。

步骤4、从所截取的三杆靶图像中沿栅条垂直方向选取一组(或多组)图像灰度值形成图像灰度值数组。

步骤5，对每一组图像灰度值数组进行一维离散傅里叶变换，并对变换结果进行取模运算，获得图像灰度值数据的频域幅值曲线M_像。

步骤6，从频率为零点从发，沿频率增大的方向识别图像灰度值数据的频域幅值曲线值为零的第一个点，确定其频率11，记为

步骤7，从图像灰度值数据的频域幅值曲线上确定频率为f处的M_像值13，记为M_像(f)。若步骤4选取的是多组图像灰度值，则对各组图像灰度值数组所求得的M_像(f)进行幅值求平均运算。

步骤8，计算所截取的频率逐级变化的所有三杆靶图像的M_像。

步骤9，应用公式(M_物(f)表示应用上述步骤3至步骤7解算的靶标物方频率为f的物方调制度)，计算出所截取的三杆靶图像代表的所有频率点的MTF值。

参见图5：靶标安装在直线运动平7的滑块上置于积分球5和平行光管8之间，积分球发出的光透过靶标，穿过靶标射入平行光管，通过分划板与焦平面一致性调整技术，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9安装固定在振动摇摆台10上，通过调整其口径对准平行光管8的物镜通光口，当直线运动平台带动靶标做往复运动时，可为被检光电成像系统提供无穷远的直线运动目标。

积分球5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。

针对被检产品测量要求，直线运动导轨带动靶标做匀速和匀加速往复运动。匀速往复运动是指在一个周期内，平台带动靶标作加速、匀速减速运动，当靶标经过平行光管靶面时，靶标处于匀速运动状态，匀加速往复运动是指在一个周期内，平台带动靶标作加速减速运动，当靶标经过平行光管靶面时，靶标处于匀加速运动状态。

当靶标运动经过平行光管靶面区域时，被检成像系统采集靶标图像，本发明步骤的步骤3至步骤9，解算出MTF曲线上采样点的值。

标准三杆靶图像灰度频谱幅值过零点，可应用下面公式求解：

X表示栅条周期，即X＝2w。本发明中截取形成的三杆靶中，存在栅条周期宽度变化增量Δ，三杆靶图像灰度频谱幅值过零点与标准三杆靶位置相比，在标准三杆靶图像灰度频谱幅值过零点附近向低频或高频产生了微小的移动(如图6)。

Claims (2)

1.一种变频栅条靶标，其特征在于：包括变频栅条靶标(1)，靶标(1)采用矩形栅条靶标图案，图案的整体分布为栅条的空间频率逐渐增大或逐渐减少；

取任意相邻的四条栅条图案，中间两个栅条的宽度相等均为w(2w是所定区域三杆靶栅条的标准周期)，左边栅条的宽度为w-Δ，与左边栅条相邻的非栅条区域宽度为w，右边栅条的宽度为w+Δ，与右边栅条相邻的非栅条区域宽度为w+Δ，Δ为栅条周期宽度变化增量；

取任意相邻三条栅条图案，存在频率递减和频率递增两种情况，三杆靶频率递增图案的右边两个栅条的宽度相等均为w，栅条间的非栅条区域的宽度为w，左边栅条的宽度为w-Δ；三杆靶频率递减图案的左边两个栅条的宽度相等，均为w，左边两栅条间的非栅条区域的宽度为w，右边栅条的宽度为w+Δ，右边栅条与中间栅条间的非栅条区域宽度为w+Δ。

2.一种基于变频靶标的光电成像系统动态传递函数测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、根据对象MTF测试要求，设定栅条周期宽度变化增量Δ，控制MTF曲线检测点的位置，通过空间光调制器编程实现或制作实物变频栅条靶标；

步骤2、在靶标沿栅条垂直方向运动情况下，采集栅条靶标图像；

步骤3、从采集图像中应用图像处理算法从左向右或从右向左连续截取形成三杆靶图像；

步骤4、从所截取的三杆靶图像中沿栅条垂直方向选取一组或多组图像灰度值形成图像灰度值数组；

步骤5，对每一组图像灰度值数组进行一维离散傅里叶变换，并对变换结果进行取模运算，获得图像灰度值数据的频域幅值曲线M_像；

步骤6，从频率为零点从发，沿频率增大的方向识别图像灰度值数据的频域幅值曲线值为零的第一个点，确定其频率11，记为

步骤7，从图像灰度值数据的频域幅值曲线上确定频率为f处的M_像值13，记为M_像(f)；若步骤4选取的是多组图像灰度值，则对各组图像灰度值数组所求得的M_像(f)进行幅值求平均运算；

步骤8，计算所截取的频率逐级变化的所有三杆靶图像的M_像；

步骤9，应用公式(M_物(f)表示应用上述步骤3至步骤7解算的靶标物方频率为f的物方调制度)，计算出所截取的三杆靶图像代表的所有频率点的MTF值。