CN107111013A - 紧凑调制传递函数评估系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的系统。该系统包括被配置为以表示期望图像的图案提供光的图像投影仪。该系统还包括被配置为将所提供的光作为准直光束朝着被测设备引导的透镜。图像分析部件根据在被测设备处拍摄的至少一个图像以及图像投影仪和透镜的已知特性来计算被测设备的MTF。

Description

紧凑调制传递函数评估系统

相关申请

本申请要求于2014年12月8日提交的美国临时申请No.62/088,878以及于2015年1月29日提交的美国临时申请No.62/109,098的优先权，这两个申请的主题通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及光学器件，更具体而言涉及用于相机的紧凑调制传递函数评估系统。

背景技术

相机的调制传递函数(modulation transfer function,“MTF”)是相机将特定分辨率的对比度从成像对象传递到相机图像的能力的测量。MTF是将分辨率和对比度结合到单个规范中的途径。MTF是测量图像清晰度以及在分辨率和对比度方面量化相机系统的整体成像性能的关键。因此，了解系统内每个成像透镜和相机传感器的MTF可以使设计者在为特定分辨率优化相机系统时做出适当的选择。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的系统。图像投影仪被配置为以表示期望对象的图案提供光。透镜被配置为将所提供的光引导到被测设备。图像分析部件被配置为从在被测设备处捕获的至少一个图像以及图像投影仪和透镜的已知特性来计算被测设备的MTF。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的方法。图案化的光(patterned light)的准直光束通过物镜直接投射到被测设备的光圈(aperture)。捕获图案化的光的至少一个图像，并且根据在被测设备处捕获的至少一个图像和物镜的已知特性来计算被测设备的MTF。

根据本发明的还有另一方面，提供了一种用于评估用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的系统的系统。图像源被配置为以表示期望图像的图案提供光。透镜被配置为将所提供的光指引到被测设备，其中被测设备、图像源和透镜沿着公共光轴布置，以提供放大的虚像，以复制在超焦距处的图像。图像分析部件被配置为从被测设备处捕获的至少一个图像以及图像源和透镜的已知特性来计算被测设备的MTF。

根据本发明的还有另一方面，提供了一种用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的方法。相机、图像源和透镜沿着公共光轴布置。透镜被选择为提供放大的虚像，以复制在相机的超焦距处的图像。图案化的光的图像通过物镜直接显示到被测设备的光圈。捕获图案化的光的至少一个图像。然后根据在被测设备处捕获的至少一个图像和物镜的已知特性计算被测设备的MTF。

附图说明

图1图示了用于评估相机的调制传递函数的系统的示例；

图2图示了用于评估相机的调制传递函数的系统的另一个示例；

图3图示了根据本发明的用于评估相机的调制传递函数的系统的另一个示例；

图4图示了根据本发明的用于评估相机的调制传递函数的系统的又一个示例；

图5图示了可以用在评估相机的调制传递函数的系统中的准直目标源的一个示例；

图6图示了根据本发明的一方面的测试系统的示意图；

图7描绘了沿着穿过被测设备的光圈的中心点的横截面的图6的测试系统；

图8图示了用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的方法800；以及

图9图示了用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的另一种方法900。

具体实施方式

确定相机的调制传递函数(“MTF”)的一种方法是将一组目标放在相机的超焦距处。在这种方法的一个实现中，打印的目标被安装到壁。共有十一个目标，一个用于轴上测量，另外十个用于离轴测量。被测设备(“DUT”)和目标由相机的超焦距分隔开，并且壁目标由LED灯面板照亮。来自目标的反射光被DUT捕获，并且度量被测量并用来提供由模块测量的可用倾斜边缘的MTF得分。虽然这是进行相机测试的有效方法，但许多相机的超焦距是相当大的，该方法可能需要非常大的测试占用面积。在智能车辆安全系统中使用的一个相机中，超焦距为五(5)m，并且该方法需要具有3.44m x 2.74m x 5m体积的工作空间。另外，目标并不总是被等量的光照射。

特别地，相机常常结合到车辆平台中，以向智能车辆安全系统提供附加信息，以辅助驾驶员。一个或多个相机可以安装在车辆四处的各个位置，被放成向驾驶员和智能车辆安全系统提供对环境状况的附加感知。例如，可以将驾驶员辅助相机放在车辆挡风玻璃附近或车辆挡风玻璃上，以确保汽车前方环境的最大视场。此外或替代地，可以放置相机以便观察车辆的后部，用于在车辆反向移动时进行辅助，或者以便观看顶部或侧面，以帮助更大的情景感知。为了确保相机的正常运行并因此确保向车辆的智能安全系统提供有用的数据，可以执行测试，以确保所安装的相机适用于车辆平台。因此，如指出的，车辆可以采用具有五(5)m超焦距或替代超焦距的相机，并且根据本文提供的原理和示例执行用于确定相机的MTF的方法。

图1图示了根据本发明的用于评估被测设备12的调制传递函数的系统10的示例。系统10包括被配置为提供表示期望图像的图案的对象14。在一个实现中，对象14包括通过透明板的适当的相干或非相干光源，透明板上具有不透明或半透明材料的图案，以提供期望的图案。例如，光源可以包括期望波长的激光器，以提供窄带但已经准直的光源，或者具有更宽光谱的非相干光源。可替代地，对象14可以表示提供有适当输入以显示一个或多个目标的显示器(诸如LCD显示器)。

透镜16被配置为将表示所提供的图案的光从图像源朝被测设备12指引。根据本发明的一个示例实施例，透镜16是双合物镜。应当认识到的是，系统10可以包括多个图像源和透镜(未示出)，以向被测设备12提供多个目标。来自被测设备12的至少一个图像被提供给图像分析部件18。图像分析部件18被配置为根据被测设备12处捕获的至少一个图像以及对象14和透镜16的已知特性来计算被测设备12的MTF。

图2图示了根据本发明的用于评估被测设备32的调制传递函数的系统30的另一个示例。系统30包括被配置为提供表示期望图像的图案的图像源34。在一个实现中，图像源34包括通过透明板的适当的相干或非相干光源，在透明板上具有不透明或半透明材料的图案，以提供期望的图案。可替代地，图像源34可以表示提供有用来显示一个或多个目标的适当输入的显示器(诸如LCD显示器)，诸如图7中所示的示例目标布置166。此外或可替代地，图像源34可以是动态显示，使得目标布置可以按期望图像和/或测试条件的要求实时地被修改。在所示示例中，中继透镜36与图像源34之间的距离被减小到大约370mm，使得光学测试系统30提供类似于较大的全尺寸和全距离的5m测试系统的功能。

透镜36被配置为将表示所提供的图案的光从图像源指引到被测设备32。另外，在图像源34处创建虚像，从而模拟将目标对象放在测试环境中5米处的效果。要指出的是，透镜36可以是具有用来改进对象的图像、修改对象的虚拟距离的不同光学特性或用于图像捕获和处理的其它考虑的多个透镜。在图2的示例中，中继透镜36可以是例如平凸透镜。另外，元件的位置和布置可以通过采用如等式1中所示的高斯薄透镜(Gaussian thin lens)公式来计算：

在等式1中，f是薄透镜(诸如透镜36)的焦距，S2是虚像离透镜36的中心的距离，而S1是到透镜中心的对象距离。如果对象在透镜的左侧，那么S1为正。如果对象在透镜36的右侧，那么S1为负。如果对象在透镜36的右侧，那么S2为正，如果对象在透镜36的左侧，那么S2为负。如果f被替换为f＝400mm＝0.4m，并且S2＝-5m置入等式1，那么S1＝370.4mm。因而，图像源34可以位于离中继透镜S1＝370.4mm的距离处。为了确保放大的垂直图像，对象(这里是图像源34上的虚像)应当放在计算出的焦点之前，诸如370.4mm<400mm。

在示例系统30中，虚像应当具有被确定为超焦距与透镜和图像源34之间的距离之比的横向放大率。因此，横向放大率可以以M_T＝5/0.3704＝13.5计算，以便复制在5米的距离处的目标图像。因此，为了复制在5m处尺寸为164”×12”的对象，图像源64上的虚拟图像应当是大约12.15”×8.3”。在一个示例中，图像源34是尺寸为24”的监视器，其足以显示具有适当尺寸的目标图像。

根据本发明的一个示例实施例，透镜36是双合物镜。应当认识到的是，系统30可以包括多个图像源和透镜(未示出)，以向被测设备32提供多个目标。来自被测设备32的至少一个图像被提供给图像分析部件38。图像分析部件38被配置为从在被测设备32处捕获的至少一个图像以及图像源34和透镜36的已知特性来计算被测设备32的MTF。而且，在MTF光学测试系统30与全尺寸和全距离5m测试系统的测试比较中，系统之间的图像质量清晰度比较表明，与全尺寸和全距离5m测试系统相比，光学测试系统30提供了图像质量的强相关性。

图3图示了根据本发明的用于评估相机32的调制传递函数的另一个示例系统30。在图3的示例中，在光通路37中使用镜35，以进一步减小中继透镜36和监视器34之间的尺寸和空间。系统30包括被配置为以表示期望图像的图案提供光的图像源34。在所示实施例中，图像源34包括动态显示器(诸如LCD监视器)。透镜36被配置为将从图像源34提供的光朝着相机32指引，使得期望的图像显现为虚像34'。在所示实现中，透镜36是平凸透镜。由相机捕获的图像可以提供给图像分析部件38，以计算MTF。在所示的实现中，镜35倾斜大约34°，并且图像源34如图3中所示倾斜大约22°。为了确保来自图像源34的光信号的中心光束是从监视器的中心到透镜36的中心轴测量的，图像源34和镜35的倾斜角度应当被设计为总角度：

34°+34°+22°＝90°。因此，倾斜角度符合既定的光学原理。

结果，测试组件的占用面积显著降低。在图2和3的示例中，可以在只有85mm×65mm×60mm的占用面积中执行基本完全相同质量的测试。应当理解的是，这种减小的占用面积可以显著节省成本并增加系统的易用性。与标准布置相比，已经发现，图2和3的系统以百分之九十五的置信水平为被测设备提供了在被认可的方法数据的百分之五内的平均MTF值。

在另一种确定相机的MTF的方法中，一组目标位于相机的超焦距处。被测设备和目标被相机的超焦距分隔开，并且目标在被照射的目标上(诸如LCD监视器上)提供。来自目标的光被DUT捕获，

并且度量被测量并用来提供由模块测量的可用倾斜边缘(slant edge)的MTF得分。

图4图示了根据本发明的用于评估相机52的调制传递函数的系统50的另一个示例。系统50包括被配置为以表示期望图像的图案提供光的图像投影仪54。在所示实现中，图像投影仪54包括通过图案化的板以投射期望图案的光源。例如，光源可以包括期望波长的激光器，以提供窄带但已经准直的光源，或者非相干光源，诸如发光二极管(LED)、荧光灯泡或白炽灯灯泡，以提供更宽的光谱。透镜56被配置为将从图像源提供的光作为准直光束朝着相机52指引。在所示实现中，透镜56是双合物镜。由相机捕获的图像可以被提供给图像分析部件58，以计算MTF。

图5图示了表示图2的图像源54和透镜56的准直目标源110的一个示例，其可以用在根据本发明的用于评估相机的调制传递函数的系统中。在所示的示例实施例中，准直目标源110包括放在壳体(未示出)内的多个光学部件102、104、106、108和110。光学部件包括可以提供相干或非相干光的光源102。根据一个示例性实施例，光源102是具有从440至660nm的光谱的白色LED发光二极管。二极管被封装在直径为五(5)mm的圆形透明环氧外壳中。非球面聚光透镜104被用来使光源的输出变得不太发散。在示例实施例中，透镜的焦距为8mm，直径为12.7mm。光源102被放在透镜104的焦点处。

细粒度漫射器(fine grit diffuser)106位于聚光透镜104的前方。以使照明源均匀。图案化的标线件(reticle)108被用来将期望的图案应用于光源。在示例实施例中，标线件108由玻璃上的图案化的金属(诸如铬)制成，以产生期望的目标。但是，应当认识到的是，标线件108可以包括用对特定波段透明的材料以及用完全或部分不透明的材料进行构图，以投影期望的颜色或灰度图像。在所示的实现中，标线件108可以具有12.7mm的总直径，其中图案化的目标具有大约2.4mm的宽度。

通过标线件的透射光被物镜110瞄准，其中标线件108放在物镜的后焦距处。根据示例实施例，使用三十(30)mm焦距的消色差双合透镜来瞄准来自标线件108的透射光。物镜110可以具有跨可见光范围(例如，对于从400nm到700nm的波长)有效的抗反射涂层。应当认识到的，双合设计显著地降低了色差。这是特别重要的，因为最小化透镜引入的失真降低了在被测设备的MTF评估中考虑透镜的复杂性。

在所示的示例中，目标源100具有大约一百六十(160)mm的总长度和大约十三(13)mm的直径。光源102与聚光透镜104分开大约八(8)mm。聚光透镜104与漫射器106分开大约三十(30)mm。漫射器106与标线件108分开大约七十(70)mm，物镜110与标线件108分开大约二十七点五(27.5)mm。

应当认识到的是，测试系统可以包括多个目标源，诸如图5中描述的那些目标源，以向被测设备提供多个目标进行分析。图6图示了根据本发明的一方面的测试系统150的示意图。图7描绘了沿着通过被测设备的光圈的中心点的横截面的图6的测试系统150。

在所示的示例中，系统150利用布置在被测设备164的视场内的十一个准直目标源152-162，使得每个目标源将准直光束投射到被测设备的光圈中。被称为“轴上”源的第一目标源152被定位和定向成向被测设备的光圈的中心提供光，而多组“离轴”目标源153-162被定位和定向成将光提供到光圈内与光圈的中心空间分开的位置。在图示的实现中，期望基本相等尺寸的目标，因此多个目标源被定位成使得目标源152-162中的每一个与被测设备等距。在所示的实现中，这个距离为五十(50)mm，并且被测设备164具有大约五(5)m的超焦距。因而，可以将目标源152-162与被测设备164之间的距离减小到小于2％。

应当认识到的是，根据期望的应用，多个目标源可以投射相同的图案或不同的图案。在对于与所示系统150兼容的被测设备的MTF的一次分析中，期望的目标是完全相同的，但是一些目标处于与其它目标不同的朝向。为了简化多个目标源152-162的制造，每个目标源可以是完全相同的，但是第一目标源可以相对于第二目标源沿着与其投射的准直光束的方向一致的轴线旋转，使得在被测设备处从第一目标源接收的第一图像相对于在被测设备处从第二目标源接收的第二图像旋转。

所示的紧凑MTF测试组件150允许显著降低MTF测试的必要占用面积，从而向被测设备提供虚像。在标准系统中，从处于超焦距的壁目标到达被测设备的光表示几乎平行的光束。在所提出的方法中，每个目标源152-162产生准直光束，从而消除了将被测设备164置于超焦距处的要求。因此，测试组件的占用面积显著减小。在图6和7的示例中，可以在只有85mm×65mm×60mm的占用面积中执行基本完全相同质量的测试。应当认识到的是，这种减小的占用面积可以提供显著的成本节省并增加系统的易用性。与标准布置相比，已经发现图6和7的系统在百分之九十五的置信度水平下为被测设备提供在被认可的方法数据的百分之五内的平均MTF值。

考虑到上面在图1-7中描述的上述结构和功能特征，参考图8和9将更好地理解示例方法。虽然为了简化解释的目的，图8和9的方法被示出并描述为串行执行，但是应当理解和认识到的是，本发明不受所示次序的限制，因为，在其它示例中，一些动作可以以与本文所示并描述的次序不同的次序发生和/或并发地发生。

图8图示了用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的方法800。在802，相机、透镜和显示器沿着公共光轴布置，以提供复制在超焦距处的真实图像的放大虚像。在804，通过透镜在显示器上直接向相机的光圈生成目标图案。应当认识到的是，根据本发明的一方面，显示器可以与相机分开不到被测设备的超焦距的百分之二。在806，捕获目标图案的至少一个图像。在808，根据在相机处拍摄的至少一个图像和透镜的已知特性来计算被测相机的MTF。而且，可以在系统上采用测试。在810，光学检查可以确定中继透镜光圈是否足以覆盖S-cam系统的视场(FOV)，并且镜尺寸是否足以覆盖S凸轮和透镜的FOV。此外，在812，具有详细S-cam光学规范的射线跟踪图可以被用来验证S-cam相机的入射光瞳，以确保两者都大于FOV。

图9图示了用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的方法900。在902，图案化的光的准直光束通过物镜直接投射到被测设备的光圈。应当认识到的，根据本发明的一方面，光的准直光束的源可以与被测设备分开不足被测设备的超焦距的百分之二。在一个示例中，图案化的光的多个准直的光束可以从多个目标源直接提供到被测设备的光圈，每个目标源包括光源、图案化的标线件和物镜。在904，捕获图案化的光的至少一个图像。在使用多个目标源的实现中，所捕获的至少一个图像中的每一个表示图案化的光的多个准直光束。在906，被测设备的MTF是从在被测设备处拍摄的至少一个图像和物镜的已知特性计算的。

以上描述的是本发明的实例。当然，为了描述本发明的目的，不可能描述部件或方法的每种可想到的组合，但是本领域普通技术人员将认识到的是，本发明的许多进一步的组合和置换是可能的。虽然在所附权利要求中指出了下面所示和所述的本发明的某些新颖特征，但是本发明并不意在限于所指定的细节，因为相关领域的普通技术人员将理解的是，在不以任何方式背离本发明的精神的前提下，可以对所示出的本发明的形式和细节及其操作进行各种省略、修改、替代和改变。因而，本发明意在涵盖落在所附权利要求的范围内的所有此类更改、修改和变化。除非明确地陈述为“关键”或“必不可少”，否则本发明的任何特征都不是关键或必不可少的。

Claims (29)

1.一种用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的系统，包括：

图像投影仪，被配置为以表示期望图像的图案提供光；

透镜，被配置为将所提供的光作为准直光束朝着被测设备指引；以及

图像分析部件，被配置为根据在被测设备处拍摄的至少一个图像以及图像投影仪和透镜的已知特性来计算被测设备的MTF。

2.如权利要求1所述的系统，其中透镜是消色差的双合透镜。

3.如权利要求1所述的系统，其中图像投影仪包括光源和图案化的标线件，被定位成使得图案化的标线件上的图案朝着被测设备被投射。

4.如权利要求3所述的系统，所述透镜是第一透镜，并且图像投影仪还包括定位在光源和图案化的标线件之间的第二透镜，图案化的标线件位于第一透镜和第二透镜之间。

5.如权利要求4所述的系统，其中第一透镜是消色差双合透镜，并且第二透镜是非球面聚光透镜。

6.如权利要求3所述的系统，图像投影仪还包括被配置为使来自光源的光均匀的漫射器，所述漫射器定位在光源和图案化的标线件之间。

7.如权利要求1所述的系统，图像投影仪和透镜中的每一个被定位在壳体内，以形成被配置为向被测设备的光圈投射期望目标的目标源。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述系统包括多个目标源，每个目标源包括图像投影仪和透镜。

9.如权利要求8所述的系统，所述多个目标源被定位成使得目标源中的每一个目标源与被测设备基本上等距。

10.如权利要求9所述的系统，其中从每个目标源到被测设备的距离小于被测设备的超焦距的百分之二。

11.如权利要求8所述的系统，所述多个目标源包括被定位和定向成向被测设备的光圈的中心提供光的第一目标源，以及被定位和定向成向光圈内的与光圈的中心空间分开的位置提供光的至少两个其它目标源。

12.如权利要求8所述的系统，所述多个目标源中的每一个目标源被配置为以给定方向提供准直光束，所述多个目标源包括沿着与给定方向一致的轴相对于第二目标源旋转的第一目标源，使得在被测设备处从第一目标源接收的第一图像相对于在被测设备处从第二目标源接收的第二图像旋转。

13.一种用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的方法，包括：

将图案化的光的准直光束通过物镜直接投射到被测设备的光圈；

捕获图案化的光的至少一个图像；以及

根据在被测设备处拍摄的所述至少一个图像和物镜的已知特性来计算被测设备的MTF。

14.如权利要求13所述的方法，其中将图案化的光的准直光束通过物镜直接投射到被测设备的光圈包括将图案化的光的多个准直光束从多个目标源直接投射到被测设备的光圈，每个目标源包括光源、标线件和物镜，使得所捕获的至少一个图像中的每一个图像表示图案化的光的所述多个准直光束。

15.如权利要求13所述的方法，其中将图案化的光的准直光束通过物镜直接投射到被测设备的光圈包括从小于被测设备的超焦距的百分之二的距离投射图案化的光的准直光束。

16.一种用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的系统，包括：

图像源，被配置为以表示期望图像的图案提供光；

透镜，被配置为将所提供的光朝着被测设备指引，其中被测设备、图像源和透镜沿着公共光轴布置，以提供放大的虚像，以复制在超焦距处的图像；以及

图像分析部件，被配置为根据在被测设备处拍摄的至少一个图像以及图像源和透镜的已知特性来计算被测设备的MTF。

17.如权利要求16所述的系统，其中透镜是平凸透镜。

18.如权利要求16所述的系统，其中图像源是动态显示器。

19.如权利要求16所述的系统，其中图像源是LCD监视器。

20.如权利要求17所述的系统，所述透镜是第一透镜，并且图像源还包括定位在图像源和图案化的标线件之间的第二透镜，图案化的标线件定位在第一透镜和第二透镜之间。

21.如权利要求16所述的系统，其中透镜的放大率被选择成使得虚像具有根据相机的超焦距与透镜和图像源之间的距离之比计算的横向放大率，所述虚像复制在超焦距处的目标图像。

22.如权利要求21所述的系统，其中相机的超焦距与透镜和图像源之间的距离之比大于十。

23.如权利要求16所述的系统，其中被测设备是安装到车辆平台的相机，相机向将车辆平台的智能车辆系统提供图像数据。

24.一种用于评估被测设备的调制传递函数(MTF)的方法，包括：

沿着公共光轴布置相机、图像源和透镜；

选择透镜，以便提供放大的虚像，以复制在相机的超焦距处的图像；

通过物镜直接将图案化的光的图像显示到被测设备的光圈；

捕获图案化的光的至少一个图像；以及

根据在被测设备处拍摄的所述至少一个图像和物镜的已知特性计算被测设备的MTF。

25.如权利要求24所述的方法，其中通过物镜直接将图案化的光的图像显示到相机的光圈包括直接向相机的光圈显示图案化的光的多个图像，使得所捕获的至少一个图像中的每个图像表示图案化的光的所述多个图像。

26.如权利要求24所述的方法，其中通过物镜直接将图案化的光的图像显示到相机的光圈包括从小于相机的超焦距的百分之二的距离显示图案化的光的图像。

27.如权利要求24所述的方法，还包括对透镜的光圈执行光学检查，以验证相机的入射光瞳。

28.如权利要求24所述的方法，其中所述至少一个图像中的每个图像是目标，所述方法还包括：

在显示器上生成至少两个图像；

沿着与给定方向一致的轴，相对于至少两个图像中的另一个图像旋转所述至少两个图像中的给定图像，使得在相机处从显示器接收的给定图像相对于在所述相机处从所述显示器接收的另一个图像旋转。

29.如权利要求24所述的方法，其中选择还包括根据相机的超焦距与透镜和图像源之间的距离之比来计算透镜的横向放大率，使得虚像复制在超焦距处的目标图像。