CN110455499A - 一种成像相机mtf测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种成像相机MTF测试装置及方法。该装置包括平行光管、三维调整架、旋转调整台、可调光源、条纹板及数据控制处理单元；旋转调整台安装在三维调整架的Z轴上，条纹板安装在旋转调整台内；条纹板的后方设置可调光源；条纹板位于平行光管焦面处；条纹板的图像通过平行光管后被待测成像相机接收；数据控制处理单元计算出条纹板图像倾斜角度后，控制旋转调整台动作，对倾斜角度进行调整，使条纹板图像与被测成像相机CCD的行或列像元重合，满足MTF测试所要求的条件，提高了测试精度和测试效率。

Description

一种成像相机MTF测试装置及方法

技术领域

本发明涉及相机光电性能测试技术领域，具体涉及一种提高成像相机MTF测试精度的装置及方法。

背景技术

对成像相机的成像性能进行测试时，都需要对其清晰成像能力进行评价，普遍采用的方法是对成像相机整机的调制传递函数进行测试，即对MTF进行测试。

MTF测试的基本原理是，使用黑白条纹通过平行光管成像，模拟成像相机实际工作时的拍摄目标。黑白条纹的宽度和间距根据成像相机的焦距，CCD像元尺寸和平行光管的焦距计算得到，使黑白条纹在成像相机的CCD上成像时，黑白条纹恰好完全充满CCD的一行或一列像元。而这样的黑白条纹有多组，可以充满多行或多列像元。成像相机拍摄黑白条纹像，黑白条纹对应像元的响应值计为DN_b和DN_w，MTF按公式(1)计算，取多组条纹MTF的平均值作为被测相机的MTF。

受光学系统设计、加工和装配精度的影响，以及CCD器件，成像电路，数据处理与传输电路的影响，成像相机的MTF是以上受各因素的叠加效果，会存才一个极限值。在设计成像相机时，会根据上述因素预估成像相机的MTF，如果实际测试值与设计值间的偏差满足要求，则认为成像相机的成像性能满足设计要求。因此，成像相机MTF的测试结果直观反映了被测相机的成像性能，其测试精度影响了对成像性能判断的正确性。

根据成像相机的MTF测试原理，为保证测量精度，黑白条纹的宽度和间距必须与被测相机的焦距，CCD像元尺寸以及所使用平行光管的焦距相适应；同一根黑条纹或白条纹的像必须完全充满同一行或同一列像元，即同一条纹必须与CCD同一行或列像元垂直。黑白条纹的宽度和间距可以通过相关参数精确计算，其加工精度也能满足要求。但受条纹板在平行光管焦面处安装精度的影响，条纹板会出现滚转、倾斜和偏航误差，使得条纹成像在相机CCD上时，与像元不能完全重合，造成混叠，降低了系统频率，即降低了系统的MTF，但这种降低，并非相机的真实成像性能，而是由于测试条件的不满足造成的测试结果不准确，是一种假象，严重影响了测试人员对被测相机成像性能的真实评价。

为尽量减小条纹板在平行光管处的姿态偏差对MTF测试结果造成的影响，测试人员设计了专门的条纹板安装机构，使其与平行光管的焦平面光轴垂直，减小倾斜和偏航误差。因为测试时，被测相机的CCD焦面不一定完全垂直于地面，所以需要保留条纹板的滚转调节功能，通过条纹板的微小转动，使得黑白条纹像与CCD像元重合。

测试过程中，测试人员通过对相机拍摄到的条纹图像判断条纹是否与CCD像元重合，然后反馈给操作人员进行条纹板的姿态调整。目前研制相机的空间分辨率越来越高，有时条纹是否与CCD像元垂直只在毫厘之间，用肉眼已无法判断，且操作人员的调整角度无量化可循，也是凭感觉完成，很难做到精确调整，往往在此阶段反复而找不到最佳位置，严重影响测试效率和测试精度。并且，当被测相机进行热真空条件的MTF测试时，受到试验原理和设备限制，被测相机的图像采集、处理计算机和条纹板位于真空模拟装置的两端，相距较远，操作调整很不方便，影响测试进度，甚至给试验条件的保持带来难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有成像相机MTF测试中，条纹板倾斜角度无法定量化精细调整，图像数据分析与控制脱节，影响测试精度的问题，而提出一种能够根据条纹图像精确计算其倾斜角度，并反馈控制条纹板调整的成像相机MTF测试装置及方法，实现成像相机MTF精细化测试。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

本发明公开了一种成像相机MTF测试装置，包括平行光管、三维调整架、旋转调整台、可调光源、条纹板及数据控制处理单元；

旋转调整台安装在三维调整架的Z轴上，条纹板安装在旋转调整台内；

条纹板外形为圆形，其上刻划有多组黑白条纹，条纹的宽度和间距与所使用的平行光管焦距、待测成像相机焦距以及待测成像相机所用CCD的像元尺寸相适应；

黑白条纹板的后方设置可调光源；

黑白条纹板位于平行光管的物方焦面处；平行光管的光轴与被测成像相机的光轴等高且同轴；

条纹板的像经过平行光管出射后形成平行光，并被待测成像相机接收；

数据控制处理单元分别与待测成像相机、三维调整架以及旋转调整台连接。

进一步地，为了适应现场的实际操作，上述数据控制处理单元包括MTF计算及靶板位姿修正计算机以及地检计算机；

地检计算机与待测成像相机连接，用于向待测成像相机发送控制指令，采集并保存待测成像相机拍摄的条纹板图像；

MTF计算及靶板位姿修正计算机的数据输入端与所述地检计算机连接，地检计算机将条纹板图像同步发送至MTF计算及靶板位姿修正计算机内；

MTF计算及靶板位姿修正计算机的数据输出端分别与三维调整架以及旋转调整台连接，MTF计算及靶板位姿修正计算机用于接收条纹板图像，并将条纹板图像进行处理后控制三维调整架以及旋转调整台动作，从而进行条纹板的位置调整。由于不同型号的待测相机，其图像传输的硬件结构和数据格式不尽相同，MTF测试装置为每种型号的相机都研制一套图像接收与处理装置的时间和经济成本很高，且不具有通用性，所以容易造成资源的浪费。地检计算机是待测相机研制过程中，必然用到的一种辅助研制调试设备，它兼具指令发送和图像接收的功能。采用上述方法，不必为不同型号的待测相机研制专门的图像接收装置，仅使用地检计算机即可完成测试图像的收接与传输，实现了MTF测试装置与图像接收设备的分离，大幅提高了MTF测试装置使用的灵活性和适应性。

进一步地，为了模拟待测成像相机在实际真空工况下的MTF，上述装置还包括真空环境模拟装置；真空环境模拟装置内设置待测成像相机。

进一步地，MTF计算及靶板位姿修正计算机以及地检计算机采用网线连接或者采用无线网络连接。

基于上述成像相机测试装置的描述，现对采用该装置进行成像相机MTF测试方法进行描述，具体实现过程包括以下步骤：

步骤1：控制三维调制架的X、Y、Z三个轴动作，使得条纹板位于平行光管的焦平面上；

步骤2：待测成像相机开始拍摄条纹板图像，地检计算机将接收到的最新拍摄的条纹板图像同步更新到MTF计算及靶板位姿修正计算机内；

步骤3：MTF计算及靶板位姿修正计算机内的测量控制软件对条纹板图像数据进行处理，计算条纹板中条纹相对待测成像相机中CCD行像元或列像元的倾斜角度；

步骤4：MTF计算及靶板位姿修正计算机内的测量控制软件根据倾斜角度，控制旋转调整台反向旋转对应角度，使条纹板中至少一个黑白条纹组能够与待测成像相机中CCD行像元或列像元重合；所述一个黑白条纹组包括至少五对相邻的黑白条纹；

步骤5：待条纹板的调整转置旋转到位，地检计算机再次采集条纹板图像，MTF计算及靶板位姿修正计算机内的测量控制软件再次获取条纹板图像，计算待测成像相机的MTF。

进一步地，步骤3中条纹相对待测成像相机中CCD行像元或列像元的倾斜角度的具体计算方法如下：

步骤3.1：使用Canny算子寻找条纹图像的边缘，

步骤3.2：使用高斯滤波器平滑条纹图像；

步骤3.3：对平滑后的条纹图像使用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向；

步骤3.4：对梯度幅值进行非极大值抑制；

步骤3.5：使用双阈值算法检测和连接边缘；

步骤3.6：将条纹图像边缘进行Hough变换，确定其中长度最长的两条线段；分别计算这两条线段的倾斜角度，取其平均值作为条纹图像相对待测成像相机中CCD行像元或列像元的倾斜角度。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明通过平行光管、三维调整架、旋转调整台、可调光源、条纹板及数据控制处理单元搭建了一套可自动实现条纹板位姿调整，使条纹像与待测成像相机中CCD行像元或列像元重合，并精确计算待测成像相机MTF的测试装置。

2、本发明采用地检计算机和MTF计算及靶板位姿修正计算机构成的数据控制处理单元，MTF计算及靶板位姿修正计算机通过网线与地检计算机通讯，地检计算机内设置专用程序，用于将最新接收到的待测相机图像同步传输到MTF计算及靶板位姿修正计算机内，简化了图像传输方式，提高了灵活性，不需要为不同的被测成像相机研制不同的图像传输硬件装置。

3、本发明利用MTF计算及靶板位姿修正计算机对条纹相对CCD像元的倾斜角度给出了精确的测量结果，其角度计算精度优于0.1度；控制旋转调整台实现角度的准确补偿，克服了以往MTF测试中条纹板的调整主观性较大的问题，提高了调整精度，进而提高了测试效率和精度。

4、本发明所配置的三维调整架，能够对条纹板的位置进行精密控制，使其完全位于平行光管的焦面位置，通过控制三维调整架Y轴的移动，实现条纹板的离焦，模拟被测成像相机不同焦距，通过寻找不同焦距处MTF的最大值，确定被测成像相机的焦面是否位于最佳位置。

附图说明

图1是本发明所提出的成像相机MTF测试装置的结构示意图；

图2是MTF计算及靶板位姿修正计算机中显示的条纹板图像判读结果；

图3是条纹板中条纹相对待测成像相机中CCD行像元或列像元的倾斜角度计算流程图。

附图标记如下：

1—平行光管、2—真空环境模拟装置、3—被测成像相机、4—地检计算机、5—网线、6—MTF计算及靶板位姿修正计算机、7—三维调整架、8—条纹板、9—旋转调整台、10—可调光源。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的成像相机MTF测试装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

实施例

如图1所示，一种成像相机MTF测试装置包括平行光管1、真空环境模拟装置2、MTF计算及靶板位姿修正计算机6、地检计算机4、三维调整架7、条纹板8、旋转调整台9以及可调光源10。

图1是提供了一种成像相机MTF测试装置的典型应用环境，用于模拟被测相机处于真空环境时，对其MTF进行测试的场景(当然也在空气环境下进行成像相机MTF的测试，此时无需使用真空环境模拟装置2)。本实施例中MTF计算及靶板位姿修正计算机6、地检计算机4组成了数据处理控制单元，当然根据一些情况也采用一台计算机作为数据处理控制单元使用。

在平行光管1的焦面附近放置三维调整架7，三维调整架7的Z轴上设置转接板，旋转调整台9通过转接板安装在三维调整架7的Z轴上，使旋转调整台9的旋转平面与平行光管1焦面平行。旋转调整台9开设有中心孔，条纹板8的直径略小于旋转调整台9中心孔的内径，条纹板8通过螺纹压圈压装在旋转调整台9中心孔内，条纹板8由位于其后部的可调光源10均匀照亮；条纹板在旋转调整台9的带动下，可以条纹板中心为圆心转动，实现角度调节。

旋转调整台9和三维调整架7的采用步进电机为驱动源，可实现秒级和微米的位置定位功能。

被测成像相机3置于真空环境模拟装置2的载物台上，被测成像相机3的光轴与平行光管1的光轴等高且同轴，能接收到条纹板8经平行光管1的出射像。被测成像相机3的控制指令和图像数据通过电缆与置于真空环境模拟装置2外的地检计算机4进行传输。

MTF计算及靶板位姿修正计算机6通过网线5与地检计算机4通讯(当然，MTF计算及靶板位姿修正计算机6与地检计算机4也可采用无线网络实现相互通讯)。MTF计算及靶板位姿修正计算机6根据被测成像相机3拍摄的条纹图像，计算条纹板8相对被测成像相机3中CCD行像元或列像元的倾斜角度。MTF计算及靶板位姿修正计算机6向旋转调整台9发送指令，控制旋转调整台9转动，完成角度修正。

此处需要说明的是：条纹板外形为圆形，其上刻划有多组黑白条纹，条纹宽度和间距与所使用的平行光管焦距、被测相机焦距以及被测相机所用CCD的像元尺寸相适应，保证条纹板在被测成像相机3的CCD上成像时，黑白条纹刚好充满CCD上相邻的两列(行)像元；

MTF计算及靶板位姿修正计算机6还可以向三维调整架7发送控制指令，控制三维调整架7实现X、Y、Z方向的位置移动，实现条纹调整装置的位置调整。

本发明还提供一种基于上述成像相机MTF测试装置的测试方法，用于计算条纹板的倾斜调整角度、控制三维调整架、旋转调整台运行，计算待测成像相机的MTF，具体包括以下步骤：

步骤一：控制三维调制架的X、Y、Z三个轴动作，使得条纹板位于平行光管的焦平面上；

步骤二：待测成像相机开始拍摄条纹板图像，地检计算机将接收到的最新拍摄的条纹板图像同步更新到MTF计算及靶板位姿修正计算机内；

步骤三：MTF计算及靶板位姿修正计算机6对条纹板图像数据进行处理，计算条纹板中条纹相对待测成像相机中CCD行像元或列像元的倾斜角度，该倾斜角度的具体计算流程如图3所示。

当地检计算机4内的图像数据更新时，图像被同步更新到MTF计算及靶板位姿修正计算机6内，MTF计算及靶板位姿修正计算机6读取新的条纹板图像数据。针对MTF测试的条纹图像，使用Canny算子寻找条纹图像的边缘，首先，使用高斯滤波器平滑图像；其次，对平滑后的图像使用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向；然后，对梯度幅值进行非极大值抑制；最后，使用双阈值算法检测和连接边缘；将条纹板的图像边缘进行Hough变换，确定其中长度最长的两条线段；分别计算这两条线段的切斜角度，取其平均值作为条纹图像的倾斜角度。

步骤四：MTF计算及靶板位姿修正计算机内的测量控制软件根据倾斜角度，控制旋转调整台反向旋转对应角度，使条纹板中至少一个黑白条纹组能够与待测成像相机中CCD行像元或列像元重合；所述一个黑白条纹组包括至少五对相邻的黑白条纹；

步骤五：待旋转调整台旋转调整到位后，地检计算机4再次采集条纹板8的图像，通知MTF计算及靶板位姿修正计算机6获取新的条纹板图像数据，按照公式(1)计算被测相机3的MTF，MTF的计算软件经过优化，能够自动寻找、记录满足对比度要求的条纹对，计算其MTF，提高了软件自的动化程度和精度。

此外，MTF计算及靶板位姿修正计算机6可以驱动三维调整架7移动，使条纹板8位于平行光管1的焦面位置，并满足测试时对条纹像的位置要求。当条纹板图像中至少一个黑白条纹组与被测成像相机3的CCD行像元或列像元满足重合条件时，可以根据光学成像的有关原理，通过控制三维调整架7带动条纹板8沿平行光管1焦面光轴前后移动，使条纹板8产生离焦。地检计算机4采集不同离焦位置的条纹图像，MTF计算及靶板位姿修正计算机6内的测量控制软件计算MTF，通过MTF最大值判断被测成像相机3的焦面是否处于最佳成像位置。

Claims (7)

1.一种成像相机MTF测试装置，其特征在于：

包括平行光管、三维调整架、旋转调整台、可调光源、条纹板及数据控制处理单元；

旋转调整台安装在三维调整架的Z轴上，条纹板安装在旋转调整台的中心孔内；

条纹板外形为圆形，其上刻划有多组黑白条纹，条纹的宽度和间距与所使用的平行光管焦距、待测成像相机焦距以及待测成像相机所用CCD的像元尺寸相适应；

黑白条纹板的后方设置可调光源；

黑白条纹板位于平行光管的物方焦面处；平行光管的光轴与被测成像相机的光轴等高且同轴；

条纹板的像经过平行光管出射后形成平行光，并被待测成像相机接收；

数据控制处理单元分别与待测成像相机、三维调整架以及旋转调整台连接。

2.根据权利要求1所述的成像相机MTF测试装置，其特征在于：所述数据控制处理单元包括MTF计算及靶板位姿修正计算机以及地检计算机；

地检计算机与待测成像相机连接，用于向待测成像相机发送控制指令，采集并保存待测成像相机拍摄的条纹板图像；

MTF计算及靶板位姿修正计算机的数据输入端与所述地检计算机连接，地检计算机将条纹板图像同步发送至MTF计算及靶板位姿修正计算机内；

MTF计算及靶板位姿修正计算机的数据输出端分别与三维调整架以及旋转调整台连接，MTF计算及靶板位姿修正计算机用于接收条纹板图像，并将条纹板图像进行处理后控制三维调整架以及旋转调整台动作，从而进行条纹板的位置调整。

3.根据权利要求2所述的成像相机MTF测试装置，其特征在于：计算及靶板修正计算机以及地检计算机采用网线连接或者采用无线网络连接。

4.根据权利要求1所述的成像相机MTF测试装置，其特征在于：所述装置还包括真空环境模拟装置；真空环境模拟装置内设置待测成像相机。

5.根据权利要求1所述的成像相机MTF测试装置，其特征在于：所述三维调整架、旋转调整台均采用步进相机作为驱动源。

6.一种成像相机MTF测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：控制三维调制架的X、Y、Z三个轴动作，使得条纹板位于平行光管的焦平面上；

步骤2：待测成像相机开始拍摄条纹板图像，地检计算机将接收到的最新拍摄的条纹板图像同步更新到MTF计算及靶板位姿修正计算机内；

步骤3：MTF计算及靶板位姿修正计算机内的测量控制软件对条纹板图像数据进行处理，计算条纹板中条纹相对待测成像相机中CCD行像元或列像元的倾斜角度；

步骤4：MTF计算及靶板位姿修正计算机内的测量控制软件根据倾斜角度，控制旋转调整台反向旋转对应角度，使条纹板中至少一个黑白条纹组能够与待测成像相机中CCD行像元或列像元重合；所述一个黑白条纹组包括至少五对相邻的黑白条纹；

步骤5：待条纹板的调整装置旋转到位，地检计算机再次采集条纹板图像，MTF计算及靶板位姿修正计算机内的测量控制软件再次获取条纹板图像，计算待测成像相机的MTF。

7.根据权利要求6所述的成像相机MTF测试方法，其特征在于：所述步骤3中条纹相对待测成像相机中CCD行像元或列像元的倾斜角度的具体计算方法如下：

步骤3.1：使用Canny算子寻找条纹图像的边缘，

步骤3.2：使用高斯滤波器平滑条纹图像；

步骤3.3：对平滑后的条纹图像使用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向；

步骤3.4：对梯度幅值进行非极大值抑制；

步骤3.5：使用双阈值算法检测和连接边缘；

步骤3.6：将条纹图像边缘进行Hough变换，确定其中长度最长的两条线段；分别计算这两条线段的倾斜角度，取其平均值作为条纹图像相对待测成像相机中CCD行像元或列像元的倾斜角度。