CN110958450A - 一种成像系统空间测试装置、对比度及频率测试方法 - Google Patents

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张洁
周艳
李坤
刘尚阔
昌明
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焦璐璐
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Abstract

本发明属于光电测试领域，为解决现有技术中无法获得连续变化靶标、不易实现精细模拟，以及不适用于高亮度测试的问题，提供一种成像系统空间测试装置、对比度及频率测试方法，测试装置包括积分球、平行光管、移动台、采集控制单元和光电探测组件，积分球入光口处设有光阑，光阑的正上方设有第一光源，分球入光口与积分球出光口所对应的圆心角为90°，平行光管的外表面设有第二光源；第二光源位于移动台的背面，与移动台相对设置并留有间隙，平行光管的出光口处放置待测相机。对比度及空间频率测试方法，先采用与分辨率测试卡白条和黑底相同的白色测试卡和黑色测试卡进行标定，再进行测试，能够同时测试亮目标和暗目标。

Description

一种成像系统空间测试装置、对比度及频率测试方法
技术领域
本发明属于光电测试领域，具体涉及一种成像系统空间测试装置、对比度及频率测试方法。
背景技术
最小可分辨对比度(MRC)是一种定量描述光电成像系统阈值对比度的评价参量，该指标考虑了系统的灵敏度、噪声、目标空间频率以及人眼视觉特性等因素。
该项测试的核心是靶标图像的模拟。目前，较为常见的方法有两种：一种是制作不同灰度值的测试靶板，该方法易于实现，但只能得到固定灰度值的测试靶标，无法连续变化测试靶标的对比度；另一种是使用靶标模拟器生成测试靶标，靶标模拟器可控制测试靶标的对比度，但靶标模拟物受限于像元大小，不易实现精细模拟，同时靶标模拟器的亮度较弱，对于需要高亮度测试条件的成像系统不适用。
发明内容
本发明的主要目的是解决现有技术中靶标图像的模拟采用不同灰度值的测试靶板无法获得连续变化的靶标，以及通过靶标模拟器生成测试靶标不易实现精细模拟，且不适用于高亮度测试条件的技术问题，提供一种成像系统空间测试装置、对比度及频率测试方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种成像系统空间测试装置，其特殊之处在于，包括积分球、平行光管、移动台、采集控制单元和光电探测组件；
所述积分球上开设有积分球入光口和积分球出光口；积分球入光口处设有光阑，光阑的上方设有第一光源；积分球入光口与积分球出光口所对应的圆心角为90°；第一光源发出的光经光阑进入积分球内，由积分球出光口射出；
所述平行光管的外表面设有朝向移动台的第二光源；移动台位于积分球出光口和平行光管的入光口之间，平行光管的出光口处放置待测相机；
所述光电探测组件用于检测积分球内表面上与积分球出光口正对位置处第一光电探测点的光能量，并用于检测移动台背面位于平行光管外表面与移动台正对位置处第二光电探测点的光能量；
采集控制单元分别与光阑、移动台和光电探测组件相连；控制光阑的开合和移动台的运动，采集并处理光电探测组件的数据。
进一步地，所述光电探测组件由第一光电探测器和第二光电探测器组成；所述第一光电探测器位于第一光电探测点；所述第二光电探测器位于第二光电探测点；所述第一光电探测器和第二光电探测器均与采集控制单元相连。
进一步地，所述光电探测组件为一个可移动式光电探测器；位于第一光电探测点处或第二光电探测点处；可移动式光电探测器与采集控制单元相连。
进一步地，所述第一光源和第二光源均为LED背光源。
一种使用如上所述成像系统空间测试装置的对比度测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1，调整灰度值
开启第一光源，将光阑打开至最大，开启待测相机和第二光源，在移动台上竖直放置黑色测试卡；调整第二光源的亮度，同时使用待测相机采集黑色测试卡图像，并通过待测相机查看黑色测试卡图像输出的灰度值，直至黑色测试卡图像输出的灰度值达到预设灰度值，通过光电探测组件检测第二光电探测点处对应的光能量，计算得到背景亮度Lbackground；
步骤2，调节第一光电探测点处光能量
将光阑逐渐关闭，或者将光阑先关闭再逐渐打大；
同时使用光电探测组件检测第一光电探测点处对应的光能量，换算为光亮度，直至第一光电探测点处的目标亮度等于Lbackground；
步骤3，测试得到对比度
步骤3.1，取下黑色测试卡，在移动台上竖直放置分辨率测试卡；观察待测相机中的条形图案，通过采集控制单元调整移动台，直至指定空间频率f对应的线对居于所述条形图案的正中位置；
步骤3.2，调节光阑逐渐逐渐开大或逐渐闭合，观察所述条形图案，直至水平方向和垂直方向能够分辨，通过光电探测组件检测第一光电探测点处对应的光能量，得到此时第一光电探测点处的靶标目标亮度Ltarget；
步骤3.3，根据靶标目标亮度Ltarget和背景亮度Lbackground计算预设频率下待测相机的对比度C。
一种使用上述成像系统空间测试装置的频率测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1，白色测试卡标定
开启第一光源，将光阑打开至最大，在移动台上竖直放置白色测试卡；通过光电探测组件分别在第一光电探测点处和第二光电探测点处检测对应的光能量L1和L2，得到白色测试卡的透过率为：
Figure BDA0002343682560000031
则目标亮度为：
Ltarget＝t×L1
步骤2，黑色测试卡标定
取下白色测试卡，开启待测相机和第二光源，在移动台上竖直放置黑色测试卡；调整第二光源的亮度，同时使用待测相机采集黑色测试卡图像，并通过待测相机查看黑色测试卡图像输出的灰度值，直至黑色测试卡图像输出的灰度值达到预设灰度值，通过光电探测组件检测第二光电探测点处对应的光能量，计算得到背景亮度Lbackground；
步骤3，调节第一光电探测点处光能量
将光阑逐渐关闭，或者将光阑先关闭再逐渐开大；
同时使用光电探测组件检测第一光电探测点处对应的光能量，换算为光亮度，直至第一光电探测点处的目标亮度等于Lbackground；
步骤4，测试得到频率
步骤4.1，根据预设对比度和背景亮度Lbackground得到目标亮度Ltarget，将目标亮度Ltarget作为Ltarget1代入步骤1中的Ltarget＝t×L1，得到相应的L1。
步骤4.2，调节光阑逐渐逐渐开大或逐渐闭合，通过光电探测组件检测第一光电探测点处对应的光能量，直至第一光电探测点处的光亮度等于目标亮度L1；
步骤4.3，取下黑色测试卡，在移动台上竖直放置分辨率测试卡；通过待测相机观察其采集的条形图案，通过采集控制单元调整移动台，使分辨率测试卡上的图案由疏到密逐组被待测相机采集，直至水平和垂直两个方向能够被分辨，记录该组序号，得到该组对应的空间频率f，即为待测相机在预设对比度下的空间频率f。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的成像系统空间测试装置，通过第一光源为积分球内提供稳定光源，通过光阑的开度调整积分球入光口大小，数据采集单元能够控制光阑和移动台，并采集处理光电探测组件的数据，两个光电探测点分别用于获得目标亮度和检测亮度，平行光管用于产生平行光束，待测相机置于平行光管的出光口。本发明结构简单且成本低，使用一个积分球实现目标和背景光能量的调试，可通过调整光源利用该装置同时对亮目标和按目标进行模拟及测试。
2.本发明的光电探测组件可以是在第一光电探测点处和第二光电探测点处各设置一个光电探测器；也可以是一个可移动式光电探测器，需要检测时，将其移动至相应的光电探测点处，可根据需求进行选择。
3.本发明的成像系统空间对比度测试方法，可用于检测亮目标或暗目标在空间频率固定的条件下的对比度。先分别对白色测试卡和黑色测试卡进行标定，再将标准的分辨率测试卡放置于移动台上，调整分辨率测试卡位置，使待测相机中指定空间频率f对应的线条居于所述条形图案的正中位置，调节光阑开合度，利用靶标目标亮度Ltarget和背景亮度Lbackground得到对比度。能够准确便捷的测得亮目标或暗目标的对比度，且靶目标连续，测试结果准确。
4.本发明的成像系统空间对比度测试方法，可用于检测亮目标或暗目标在对比度固定的条件下的空间频率。先分别对白色测试卡和黑色测试卡进行标定，再将标准的分辨率测试卡放置于移动台上，计算目标亮度，在第一光电探测点处光亮度与目标亮度相同的条件下，调整分辨率测试卡在待测相机中的图像，记录得到预设对比度下的空间频率。能够准确便捷的测得亮目标或暗目标的空间频率，且靶目标连续，测试结果准确。
附图说明
图1为本发明成像系统空间测试装置实施例的结构示意图。
其中，1-采集控制单元；2-第一光电探测器；3-第一光源；4-积分球；5-光阑；6-积分球出光口；7-移动台；8-第二光电探测器；9-第二光源；10-平行光管；11-待测相机。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1，一种成像系统空间测试装置，包括采集控制单元1、第一光源3、积分球4、光阑5、移动台7、第二光源9、平行光管10和待测相机11；
积分球4用于提供均匀光照明光源，积分球4上开设有积分球入光口和积分球出光口6，积分球入光口和积分球出光口6对应的圆心角为90°，即相互垂直设置。光阑5设置在积分球入光口处，光阑5用于调整积分球入光口的大小，第一光源3位于光阑5的正上方。第一光源3发出的光经光阑5后从进积分球入光口进入积分球4内，由积分球出光口6射出。
平行光管10的外表面设有第二光源9，第二光源9位于移动台7的背面，与移动台7相对设置并留有间隙；平行光管10的出光口处放置待测相机11。由积分球出光口6射出的光照射至移动台7上放置的靶标。
积分球4内表面上与积分球出光口6正对位置处记做第一光电探测点，检测移动台7背面位于平行光管10外表面与移动台7正对位置处记做第二光电探测点。在本发明的一个实施例中，光电探测组件由第一光电探测器2和第二光电探测器8组成，第一光电探测器2安装在第一光电探测点处，第二光电探测器8安装在第二光电探测点处。在本发明的另一个实施例中，光电探测组件为一个可移动式光电探测器，第一光电探测点和第二光电探测点处需要检测时，将可移动式光电探测器放置于相应的光电探测点即可。
采集控制单元1，用于控制光阑5的开合、移动台7的运动，还可以采集光电探测组件的检测结果，并换算为亮度输出。控制运动和采集数据的方法均可通过现有的软件实现，该采集控制单元可采买现有软件，也可直接选用现有的采集控制器。
上述的移动台7上主要用于放置靶标，主要涉及三种靶标：分辨率测试卡，可采用黑底白条的USAF1951分辨率测试卡；黑色测试卡，材质与分辨率测试卡的黑底一致；白色测试卡，材质与分辨率测试卡的白条一致。
第一光源3和第二光源9均可以采用LED高亮度背光源，移动台7采用二维移动平移台。
基于上述成像系统空间测试装置，成像系统空间对比度和空间频率的测试方法如下：
(1)白色测试卡的标定
开启第一光源3，控制光阑5使积分球4入口开启到最大，在移动台7上放置白色测试卡，待第一光源3的输出能量稳定，使用采集控制单元通过光电探测器分别在第一光电探测点和第二光电探测点9处检测光能量，分别记做L1和L2。则白色测试卡的透过率为：
Figure BDA0002343682560000061
则目标亮度为：
Ltarget＝t×L1
(2)将待测相机11对准平行光管10的出光口，开启待测相机11，开启第一光源3和第二光源9。使用采集控制单元控制光阑5使积分球入光口开启到最大，在移动台7上放置黑色测试卡。
(3)使用待测相机11采集拍摄黑色测试卡，查看黑色测试卡图像输出灰度值，调整第二光源9的输出能量，使黑色测试卡图像的输出灰度值符合测试需求。
(4)使用光电探测器在第二光电探测点处检测靶标背景亮度Lbackground。将光电探测器放置在第一光电探测点处，若需要暗于背景的目标，则调整第一光源3的输出能量，使光电探测器读数的计算值Ltarget与背景亮度Lbackground一致。若需要亮目标，使第一光源3的输出最大，控制光阑5使积分球入光12口缓慢关闭。
(5)对于暗目标：控制光阑5使积分球入光口完全闭合；对于亮目标，控制光阑5使积分球入光口完全打开。
(6)按照测试需求可以分为规定空间频率下测试空间对比度和规定对比度下测试空间频率。
若在规定空间频率下测试空间对比度，执行方法见(7)-(9)；若在规定空间对比度下测试空间频率则执行(10)-(11)。
(7)将USAF1951分辨率测试卡放置于移动台7上。观察待测相机采图像中条形测试图的图案，通过采集控制单元控制移动台7，使规定空间频率f所对应的线对居于图像正中。
(8)观察待测相机11采图像中条形测试图案的图案，控制光阑5使积分球入光口缓慢开启(对于暗目标)或缓慢关闭(对于亮目标)，积分球入光口一步一步变化同时判读图像，直到水平、垂直两个方向刚好能分辨开，而下一组无法分辨的时候。记下通过光电探测器放置在第一光电探测点处计算的靶标目标亮度Ltarget。
(9)按照测试规定的图像对比度要求计算空间对比度C，一般有以下4种形式。
C＝Ltarget-Lbackground
Figure BDA0002343682560000071
Figure BDA0002343682560000072
Figure BDA0002343682560000073
具体采用上述哪个公示进行计算，可根据测试需求进行选择。
(10)将USAF1951分辨率测试卡放置于移动台7上，根据(9)中的公式计算规定对比度测试下对应的Ltarget1，通过公式(2)计算得到相应的L1值。控制光阑5使积分球入光口缓慢开启(对于暗目标)或缓慢关闭(对于亮目标)，使光电探测器在第一光电探测点处读数值为L1。
(11)观察待测相机11采图像中条形测试图案的图案，控制移动台7，由疏到密一组一组按顺序转动同时判读图像，直到水平、垂直两个方向刚好能分辨开，而下一组无法分辨的时候，记下可分辨的这组序号，记录其对应的空间频率f，即为待测相机11在预设对比度下的空间频率f。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种成像系统空间测试装置，其特征在于：包括积分球(4)、平行光管(10)、移动台(7)、采集控制单元(1)和光电探测组件；
所述积分球(4)上开设有积分球入光口和积分球出光口(6)；积分球入光口处设有光阑(5)，光阑(5)的上方设有第一光源(3)；积分球入光口与积分球出光口(6)所对应的圆心角为90°；第一光源(3)发出的光经光阑(5)进入积分球(4)内，由积分球出光口(6)射出；
所述平行光管(10)的外表面设有朝向移动台(7)的第二光源(9)；移动台(7)位于积分球出光口(6)和平行光管(10)的入光口之间，平行光管(10)的出光口处放置待测相机(11)；
所述光电探测组件用于检测积分球(4)内表面上与积分球出光口(6)正对位置处第一光电探测点的光能量，并用于检测移动台(7)背面位于平行光管(10)外表面与移动台(7)正对位置处第二光电探测点的光能量；
采集控制单元(1)分别与光阑(5)、移动台(7)和光电探测组件相连；控制光阑(5)的开合和移动台(7)的运动，采集并处理光电探测组件的数据。
2.如权利要求1所述一种成像系统空间测试装置，其特征在于：所述光电探测组件由第一光电探测器(2)和第二光电探测器(8)组成；所述第一光电探测器(2)位于第一光电探测点；所述第二光电探测器(8)位于第二光电探测点；所述第一光电探测器(2)和第二光电探测器(8)均与采集控制单元(1)相连。
3.如权利要求1所述一种成像系统空间测试装置，其特征在于：所述光电探测组件为一个可移动式光电探测器；位于第一光电探测点处或第二光电探测点处。
4.如权利要求1或2或3所述一种成像系统空间测试装置，其特征在于：所述第一光源(3)和第二光源(9)均为LED背光源。
5.一种使用如权利要求1至4任一所述成像系统空间测试装置的对比度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，调整灰度值
开启第一光源(3)，将光阑(5)打开至最大，开启待测相机(11)和第二光源(9)，在移动台(7)上竖直放置黑色测试卡；调整第二光源(9)的亮度，同时使用待测相机(11)采集黑色测试卡图像，并通过待测相机(11)查看黑色测试卡图像输出的灰度值，直至黑色测试卡图像输出的灰度值达到预设灰度值，通过光电探测组件检测第二光电探测点处对应的光能量，计算得到背景亮度Lbackground；
步骤2，调节第一光电探测点处光能量
将光阑(5)逐渐关闭，或者将光阑(5)先关闭再逐渐打大；
同时使用光电探测组件检测第一光电探测点处对应的光能量，换算为光亮度，直至第一光电探测点处的目标亮度等于Lbackground；
步骤3，测试得到对比度
步骤3.1，取下黑色测试卡，在移动台(7)上竖直放置分辨率测试卡；观察待测相机(11)中的条形图案，通过采集控制单元(1)调整移动台(7)，直至指定空间频率f对应的线对居于所述条形图案的正中位置；
步骤3.2，调节光阑(5)逐渐开大或逐渐闭合，观察所述条形图案，直至水平方向和垂直方向能够分辨，通过光电探测组件检测第一光电探测点处对应的光能量，得到此时第一光电探测点处的靶标目标亮度Ltarget；
步骤3.3，根据靶标目标亮度Ltarget和背景亮度Lbackground计算预设频率下待测相机(11)的对比度C。
6.一种使用如权利要求1至4任一所述成像系统空间测试装置的频率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，白色测试卡标定
开启第一光源(3)，将光阑(5)打开至最大，在移动台(7)上竖直放置白色测试卡；通过光电探测组件分别在第一光电探测点处和第二光电探测点处检测对应的光能量L1和L2，得到白色测试卡的透过率为：
Figure FDA0002343682550000021
则目标亮度为：
Ltarget＝t×L1
步骤2，黑色测试卡标定
取下白色测试卡，开启待测相机(11)和第二光源(9)，在移动台(7)上竖直放置黑色测试卡；调整第二光源(9)的亮度，同时使用待测相机(11)采集黑色测试卡图像，并通过待测相机(11)查看黑色测试卡图像输出的灰度值，直至黑色测试卡图像输出的灰度值达到预设灰度值，通过光电探测组件检测第二光电探测点处对应的光能量，计算得到背景亮度Lbackground；
步骤3，调节第一光电探测点处光能量
将光阑(5)逐渐关闭，或者将光阑(5)先关闭再逐渐开大；
同时使用光电探测组件检测第一光电探测点处对应的光能量，换算为光亮度，直至第一光电探测点处的目标亮度等于Lbackground；
步骤4，测试得到频率
步骤4.1，根据预设对比度和背景亮度Lbackground得到目标亮度Ltarget，将目标亮度Ltarget作为Ltarget1代入步骤1中的Ltarget＝t×L1，得到相应的L1；
步骤4.2，调节光阑(5)逐渐逐渐开大或逐渐闭合，通过光电探测组件检测第一光电探测点处对应的光能量，直至第一光电探测点处的光亮度等于目标亮度L1；
步骤4.3，取下黑色测试卡，在移动台(7)上竖直放置分辨率测试卡；通过待测相机(11)观察其采集的条形图案，通过采集控制单元(1)调整移动台(7)，使分辨率测试卡上的图案由疏到密逐组被待测相机(11)采集，直至水平和垂直两个方向能够被分辨，记录该组序号，得到该组对应的空间频率f，即为待测相机(11)在预设对比度下的空间频率f。
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