CN109540473B - 光学传递函数的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用光学检测技术领域，提供了一种光学传递函数的检测方法及系统；本发明的光学传递函数检测方法首先通过检测系统获得光学系统点扩散函数的卷积，然后通过反卷积的算法获得光学系统的点扩散函数，再通过点扩散函数的傅里叶变换最终得到系统的光学传递函数；与刀口法相比，该方法使用点扩散函数而非线扩散函数计算光学传递函数，具有更加准确的优点；与显微测量方法相比，该方法由于无需使用显微镜，减小了设备体积、降低检测成本等优点。

Description

光学传递函数的检测方法及系统

技术领域

本发明属于光学检测领域，尤其涉及光学传递函数的检测方法及系统。

背景技术

光学传递函数(optical transfer function)是指以空间频率为变量，表征成像过程中调制度和横向相移的相对变化的函数。光学传递函数是光学系统对空间频谱的滤波变换。光学成像系统对于各种空间频率成分的传递性能反映了该系统的成像质量，因此，准确的光学传递函数可以客观准确的评判相应的光学系统成像质量。

光学传递函数等于光学系统点扩散函数的傅里叶变换，因此准确测量光学系统的点扩散函数是光学传递函数检测的前提。现有技术中，刀口法、狭缝法等扫描方法可以获得系统的线扩散函数，然后通过线扩散函数的傅里叶变换得到一维的光学传递函数。但是线扩散函数是点扩散函数和线函数的卷积，与点扩散函数在本质上具有不同的性质。因此这种方法获取的光学传递函数是不准确的，只有在要求不高的情况下才能够相互替代使用。

在实际操作中，实验室检测光学系统点扩散函数，大多数是通过显微镜来进行辅助测量。由于显微镜自身存在像差，将给光斑检测过程中带来额外的误差，导致测量数据不精准。此外，显微镜体积大，占用空间较多，在很多场合不适合使用，应用范围有限。因此，现有技术的光学传递函数检测方法存在不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反卷积和傅里叶变换计算光学传递函数的检测方法及系统，旨在解决现有光学传递函数检测方法计算不准确且依赖大型显微镜的技术问题。

一方面，本发明提供了一种光学传递函数的检测方法，所述方法包括下述步骤：

S1.获得卷积元件与光学系统的点扩散函数的卷积；

S2.对所述点扩散函数的卷积进行反卷积的运算，获得所述点扩散函数；

S3.对所述点扩散函数进行傅里叶变换得到所述光学系统的光学传递函数。

优选的，所述步骤S1包括以下步骤：

S11.使成像光源的光束依次经过所述光学系统、卷积元件和光电探测器；

S12.通过扫描装置的运动，使得所述光电探测器获得一系列探测能量值；

S13.通过所述一系列探测能量值得到探测能量函数。

优选的，所述步骤S1包括以下步骤：

S11’.使照明光源的光束依次经过所述卷积元件、所述光学系统和成像探测器；

S12’.通过所述成像探测器测量卷积元件到像面的像函数。

另一方面，本发明还提供一种采用如上述任意一项所述光学传递函数的检测方法的检测系统，所述系统包括：

卷积获得单元，接入待检测的光学系统，通过扫描或者成像的方式获得光学系统的点扩散函数的卷积；

反卷积单元，与所述卷积获得单元连接，对所述点扩散函数的卷积进行反卷积的运算，获得所述点扩散函数；

傅里叶变换单元，与所述反卷积单元连接，对所述点扩散函数进行傅里叶变换得到所述光学系统的光学传递函数。

优选的，所述卷积获得单元包括：通过光路连接的成像光源、卷积元件和光电探测器，扫描装置分别与所述卷积元件和所述光电探测器连接；待测的所述光电系统接入所述成像光源与所述卷积元件之间，所述成像光源的光束依次经过所述光学系统、所述卷积元件到达所述光电探测器。

优选的，所述卷积获得单元包括：通过光路连接的照明光源、卷积元件和成像探测器；待测的所述光学系统接入所述卷积元件与所述成像探测器之间，照明光源的光束依次经过所述卷积元件、所述光学系统到达所述成像探测器。

优选的，所述卷积元件是具有一定形状的斩波元件；所述卷积元件的形状为刀口、圆孔、方孔和狭缝中的任意一种。

本发明的光学传递函数检测方法和系统基于反卷积和傅里叶变换来对光学传递函数进行检测。首先通过检测系统获得光学系统点扩散函数的卷积，然后通过反卷积的算法获得光学系统的点扩散函数，再通过点扩散函数的傅里叶变换最终得到系统的光学传递函数。与刀口法相比，该方法使用点扩散函数而非线扩散函数计算光学传递函数，具有更加准确的优点。与显微测量方法相比，该方法由于无需依赖显微镜等大体积设备，采用该方法的光学检测系统具有体积小、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明提供的光学传递函数的检测方法的实现流程图；

图2是本发明提供的光学传递函数检测系统的框架示意图；

图3是本发明实施例三提供的卷积获得单元的一种实施结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的卷积获得单元的另一种实施结构示意图。

附图标记说明：

1、成像光源；2、待检光学系统；3、卷积元件；4、光电探测器；5、扫描装置；6、照明光源；7、成像探测器。

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。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

如附图1所示，一方面，本发明提供了一种光学传递函数的检测方法，方法包括下述步骤：

S1.获得光学系统的点扩散函数的卷积；

S2.对点扩散函数的卷积进行反卷积的运算，获得点扩散函数；

S3.对点扩散函数进行傅里叶变换得到光学系统的光学传递函数。

优选的，步骤S1包括以下步骤：

S11.使成像光源1的光束依次经过光学系统2、卷积元件3和光电探测器4；

S12.通过扫描装置5的运动，使得光电探测器4获得一系列探测能量值；

S13.通过一系列探测能量值得到探测能量函数。

具体的，如附图3所示，光学传递函数检测系统包括成像光源1、被检光学系统2、卷积元件3、光电探测器4和扫描装置5。卷积元件3是具有一定形状的斩波元件，它可以是刀口、圆孔、方孔、狭缝或其它形状。通过扫描装置5的运动，使得光电探测器4获得一系列探测能量值。

假设卷积元件的形状函数是Pup(x,y)，点扩散函数是PSF(x,y)，探测能量值的函数是E(x,y)。则由卷积定义可得探测能量函数是形状函数和点扩散函数的卷积，即：

E(x,y)＝Pup(x,y)*PSF(x,y)

其中，*代表卷积运算。由于卷积元件的形状函数Pup(x,y)是已知的，而探测能量值的函数E(x,y)是可以测量的，因而可以通过反卷积运算计算出系统的点扩散函数，即：

PSF(x,y)＝E(x,y)☉Pup(x,y)

其中，☉符号代表反卷积运算。反卷积运算的具体过程可以采用一般图像处理中常用的算法，本发明不做限制。

而光学系统的点扩散函数OTF(u,v)可以用点扩散函数的傅里叶变换表示，即：

OTF(u,v)＝FFT(PSF(x,y))

由此，可以获得光学系统的光学传递函数。

实施例二：

步骤S1包括以下步骤：

S11’.使照明光源的光束依次经过卷积元件、光学系统和成像探测器；

S12’.通过成像探测器测量到像面的像函数。

具体的，如附图4所示，光学传递函数检测系统包括照明光源6、卷积元件3、被检光学系统2和成像探测器7。

在本实施例中，卷积元件3与附图3相同，不同的是它的位置放置在物面上，通过照明光源6照明并成像在成像探测器7上。根据光学系统的成像原理，像面的像函数Im(x,y)为该待测的光学系统的点扩散函数PSF(x,y)与物函数Pup(x,y)的卷积，即：

Im(x,y)＝Pup(x,y)*PSF(x,y)

由此可见，这种关系和式上述实施例是类似的，因而可以用与实施例一相同的方法获得光学系统的光学传递函数。

本发明的光学传递函数检测方法基于反卷积和傅里叶变换算法进行检测，首先通过检测系统获得光学系统点扩散函数的卷积，然后通过反卷积的算法获得光学系统的点扩散函数，再通过点扩散函数的傅里叶变换最终得到系统的光学传递函数。与刀口法相比，该方法使用点扩散函数而非线扩散函数计算光学传递函数，具有更加准确的优点。

实施例三：

附图2示出了本发明实施例一、二提供的光学传递函数的检测方法的实现系统，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

具体的，本发明还提供一种采用如上述任意一项光学传递函数的检测方法的检测系统，上述系统包括：

卷积获得单元，接入待检测的光学系统，通过扫描或者成像的方式获得光学系统的点扩散函数的卷积；

反卷积单元，与卷积获得单元连接，对点扩散函数的卷积进行反卷积的运算，获得点扩散函数；

傅里叶变换单元，与反卷积单元连接，对点扩散函数进行傅里叶变换得到光学系统的光学传递函数。

在优选的实施例中，卷积获得单元包括：通过光路连接的成像光源、卷积元件和光电探测器，扫描装置分别与卷积元件和光电探测器连接；待测的光电系统接入成像光源与卷积元件之间，成像光源的光束依次经过光学系统、卷积元件到达光电探测器。

在优选的实施例中，卷积获得单元包括：通过光路连接的照明光源、卷积元件和成像探测器；待测的光电系统接入卷积元件与成像探测器之间，照明光源的光束依次经过卷积元件、光学系统到达成像探测器。

在本实施例中，卷积元件是具有一定形状的斩波元件；卷积元件为刀口、圆孔、方孔和狭缝中的任意一种。在优选的实施例中，卷积元件还可以采用其他可以实现斩波的形状。

在本发明实施例中，光学传递函数的检测系统与现有的采用显微镜辅助测量的系统相比，该检测由于无需依赖显微镜的大体积设备，即避免了因为显微镜相差导致的测量数据不准确，同时具有体积小、成本低等优点。

本发明可以使用扫描和成像方式进行光学传递函数的检测，兼顾了成像和非成像检测领域。同时，本发明与刀口法、狭缝法等现有技术相比，计算光学传递函数所采用的反卷积算法可以获得更高的精度，获得更接近实际的光学传递函数。本发明还可以适用于对任何波段，例如紫外、红外、毫米波、X射线的光学系统领域，可以大大降低检测系统的成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光学传递函数的检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

S1.获得卷积元件与光学系统的点扩散函数的卷积；所述卷积元件是具有一定形状的斩波元件；所述卷积元件的形状为刀口、圆孔、方孔和狭缝中的任意一种；

S2.对所述点扩散函数的卷积进行反卷积的运算，获得所述点扩散函数；

S3.对所述点扩散函数进行傅里叶变换得到所述光学系统的光学传递函数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11.使成像光源的光束依次经过所述光学系统、卷积元件和光电探测器；

S12.通过扫描装置的运动，使得所述光电探测器获得一系列探测能量值；

S13.通过所述一系列探测能量值得到探测能量函数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11’.使照明光源的光束依次经过所述卷积元件、所述光学系统和成像探测器；

S12’.通过所述成像探测器测量所述卷积元件到像面的像函数。

4.一种采用如权利要求1至3任意一项所述光学传递函数的检测方法的检测系统，其特征在于，所述系统包括：

卷积获得单元，接入待检测的光学系统，通过扫描或者成像的方式获得光学系统的点扩散函数的卷积；所述卷积获得单元包括卷积元件，所述卷积元件是具有一定形状的斩波元件；所述卷积元件的形状为刀口、圆孔、方孔和狭缝中的任意一种；

反卷积单元，与所述卷积获得单元连接，对所述点扩散函数的卷积进行反卷积的运算，获得所述点扩散函数；

傅里叶变换单元，与所述反卷积单元连接，对所述点扩散函数进行傅里叶变换得到所述光学系统的光学传递函数。

5.如权利要求4所述的光学传递函数的检测系统，其特征在于，所述卷积获得单元包括：通过光路连接的成像光源和光电探测器，扫描装置分别与所述卷积元件和所述光电探测器连接；待测的所述光学 系统接入所述成像光源与所述卷积元件之间，所述成像光源的光束依次经过所述光学系统、所述卷积元件到达所述光电探测器。

6.如权利要求4所述的光学传递函数的检测系统，其特征在于，所述卷积获得单元包括：通过光路连接的照明光源和成像探测器；待测的所述光学系统接入所述卷积元件与所述成像探测器之间，照明光源的光束依次经过所述卷积元件、所述光学系统到达所述成像探测器。

Images