CN1384345A - 光学单元的光学特性自动量测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学特性自动测量量测系统与方法用以量测并量化待测光学单元的光学特性。该光学特性自动量测装置包含一光源装置、至少一组测试图样、一影像摄取装置与一数据处理模块。该量测系统利用影像摄取装置摄取通过待测光学单元之测试图样的影像,并藉由数据处理模块依据影像撷取装置所摄取的影像资料计算出该待测光学单元之光学特性,例如焦深、分辨率、相对照度、彗差、畸变等等。

Description

光学单元的光学特性自动量测系统与方法

本发明涉及一种用以量测光学装置的光学特性，并将结果加以量化的自动量测系统与量测方法。

理想的光学投影系统是可将待投影物的影像忠实地呈现而没有任何畸变，然而因光学元件的特性而难以达到。光学镜头(lens)与投影机等光学装置的品质无法只用单一数值或单一特性因子加以断定，必须针对该装置的用途与需求效果而参考不同的特性参数。因此必须藉助量测光学装置的各种特性参数，让使用者依照不同的使用需求来选择合适的元件。举例来说，基本的特性参数可包含焦深(Depth of Focus)、解析度(Modulation Transfer Function，MTF)、相对照度(RelativeIllumination)、彗差(Chromatic Aberration)、畸变(Distortion)等等。

以量测镜头或其它光学装置的解析度为例，大都以不同空间频率的例如条纹的图样当作输入信号。该图样经由光学装置成像，由所成像的明辨度来得知该系统的解析度。这种系统解析度的判定，常见的做法是藉助于训练有素的技术人员以目视影像方式来判定可辨识与否，因此是一种主观的判定。然而此法只能判定某一空间频率的图样或线条经由光学装置所成的像对该技术人员为可辨视或不可辨视，而无法得知其明辨度为多少百分比；亦即无法提供一客观的量化数。

此外，另一常见的光学装置解析度量测方法，是利用具有光学镜头的影像摄取装置来摄取影像。但是因影像摄取装置的镜头本身亦有解析度与其它光学特性的限制，使得待测光学单元的光学特性量测值与实际值有所误差。

鉴于上述问题，本发明的主要目的是提供一种不需额外镜头即可量测并量化待测光学单元的光学特性的光学特性自动量测系统与方法。

本发明光学单元的光学特性自动量测系统，是应用于量测一待测光学单元的光学特性，该量测系统包含一为量测提供光源的光源装置、配置于光源装置与待测光学单元之间的测试图样、一影像摄取装置用以摄取通过待测光学单元的测试图样的影像、一可相对于影像摄取装置做前后移动并承载测试图样、光源装置以及待测光学单元的承载平台、以及一数据处理模块用以接收并处理由该影像摄取装置所传送的信号。

本发明的测试图样包含黑白线对图样与透光率为0％、25％、50％、75％与100％的图样。

本发明的光学特性自动量测系统及测试图样，可量测解析度(MTF)，焦深，横向彗差，畸变，相对照度与投影系统中LCD面板的旋转角度等。

图1为本发明光学特性自动量测系统的示意图。

图2为本发明的测试图样模块的示意图。

图3为本发明的黑白线对的测试图样。

图4为影像摄取装置的构造，其中A为固定式、B为移动式。

图5为经由影像摄取单元所摄取的黑白线对的水平与垂直波形。

图6为不同距离d与解析度MTF的关系曲线图。

图7为经由彩色影像摄取单元所摄取的黑白线对不同颜色的波形。

图8为系统示意图，描述本发明另一实施例的光学特性自动量测系统。

符号说明

10、10’——光学特性自动量测系统

11——光源装置

12——测试图样单元

121——基板

122——测试图样

14——待测光学单元

16——影像摄取装置

161——影像摄取单元

162——框架基板

163——水平驱动机构

164——垂直驱动机构

18——承载平台

19——数据处理模块

101——信号产生装置

102——待测的投影系统

以下结合附图对本发明的光学单元的光学特性自动量测系统与方法的实施例进行详细说明。

图1为本发明光学单元的光学特性自动量测系统第一实施例的配置示意图。如该图所示，本发明光学特性自动量测系统10(以下简称量测系统)包含一光源装置11用以提供量测时的光源、测试图样模组12配置于光源装置11与一待测光学单元14之间、一影像摄取装置16用以摄取测试图样模组12经光源装置11照射后通过待测光学单元14的影像并转成电信信号、一可相对于影像摄取装置16做前后移动并承载测试图样单元12、光源装置11以及待测光学单元14的承载平台18、以及一数据处理模块19用以接收影像摄取装置16所转换的信号，并计算出待测光学单元14的光学特性。该量测系统10的动作与计算方式将在后面叙述。

图2所示为本发明测试图样模组12的一种例子。该测试图样模组12具有一基板121，例如透明玻璃，以及形成于该基板121的多个测试图样122。基板121的尺寸根据所要测试的待测光学单元14来决定，例如，若该待测光学单元14为使用于1.3”LCD面板的镜头(lens)，则该基板121的尺寸为26.4mm(H)*19.8mm(V)。另外，测试图样122的数量与配置于基板121的位置也有多种选择，本实施例为配置十三个测试图样122，并分别配置于该基板121之中心位置、从该中心位置至四个角落的对角线的0.5、0.7、以及0.9倍距离的位置。

为有效测试光学单元14的光学特性，本发明提供下列几种不同图样的测试图样122，分别为黑白线对图样、通过75％、50％、25％以及0％的红(R)、绿(G)、蓝(G)光的图样。图3示出一种黑白线对图样的例子，其中每个黑色或白色线的线宽是根据所要测试的待测光学单元14来决定。例如，1.3”XGA的像素尺寸为25um，则每个黑色或白色线的线宽设定为25um，藉以表示每个像素的宽度。至于每个测试图样122需要几对水平与垂直的线对，则可根据需要设定，例如50对。

图4A与4B示出本发明的影像摄取装置16的两种不同配置方式。第一种配置方式为十三点固定式，即在对应于测试图样模组12的测试图样122的位置分别固定配置一个影像摄取单元161，参考图4A所示。在该实施例中，因测试图样模组12具有13个测试图样122，故该影像摄取装置16亦配置13个影像摄取单元161，其位置亦分别为框架基板162的中心位置、从该中心位置至四个角落的对角线的0.5、0.7、以及0.9倍距离的位置。另一种配置方式为单点移动式，参考图4B所示，即仅在框架基板162上配置一影像摄取单元161，并由一水平驱动机构163与一垂直驱动机构164移动该影像摄取单元161至所需的位置，例如对应于测试图样模组12的测试图样122的位置。上述两种配置应用于不同光学特性的量测。且各影像摄取单元161的光线入射端可配置对于不同波长的色光具有相同衰减强度的滤光片，藉以适当过滤光线。同时，影像摄取单元161可为彩色线形电荷偶合元件(color line CCD)、彩色面形电荷偶合元件(color area CCD)、彩色线形接触式影像传感器(color line CIS)、或彩色面形接触式影像传感器(color area CIS)等元件。

根据上述的自动量测系统与所配合的测试图样，本发明量测系统10可量测待测光学单元14的解析度(MTF)、焦深、横向彗差、畸变、相对照度。以下分别说明各种光学特性的量测步骤，且这些步骤最好在暗房中进行。

解析度的量测流程

步骤1：开机一段时间，使灯泡亮度趋于稳定以避免量测误差。

步骤2：将待测光学单元14，例如投影机镜头，固定于承载平台18上；并根据镜头设计的成像距离移动承载平台18，使该投影机镜头与影像摄取装置间之距离为d。

步骤3：依次使用透光率为100％(全白)与透光率为0％(全黑)的测试图样，并利用13点固定式的影像摄取装置16接收全白与全黑测试图样时的影像并转换成电信号。接着，利用全白与全黑测试图样时的影像，个别调整每个影像摄取单元161的增益，使每个影像摄取单元161对于全白图样不会饱和。该电信号经过数据处理模块19处理后，可得到影像摄取装置的水平方向全白与全黑时的数值W₀(H)、B₀(H)与垂直方向全白与全黑时的数值W₀(V)、B₀(V)。

步骤4：将测试图样改为黑白线对的测试图样，并利用13点固定式影像摄取装置16摄取测试图样的影像并转换成电信号。该电信号经过数据处理模块19处理后，可得到影像摄取单元的水平方向信号的波峰与波谷值W₁(H)、B₁(H)以及垂直方向信号的波峰与波谷值W₁(V)、B₁(V)，如图5所示。

步骤5：利用数据处理模块19根据定义计算出该待测光学单元14(镜头)对此黑白线对图样的解析度MTF。其中该MTF的定义为：

因此，可计算出测试图样121所配置的13个位置的水平与垂直解析度MTF。需注意的是此处测试图样上的黑白线对图样的配置与对应的影像摄取单元位置可依需要而改变，并不限定于上述位置。

焦深的量测流程

焦深的量测流程为量测在不同距离d的MTF值，藉以显示出在许可的MTF值下，其距离d的范围。

步骤11：将待测光学单元14，例如投影机镜头，固定于承载平台18上。

步骤12：移动承载平台18，以改变影像摄取装置16与待测光学单元14(例如投影机镜头)的距离d，并量测待测光学单元14在不同距离d的MTF值。在此情形下，由于距离d改变，因此测试图样模组12的13个测试图样122对应至影像摄取装置16的位置亦随之改变。故在量测焦深时需使用单点移动式影像摄取装置16，以根据不同的距离d来调整影像摄取装置161的位置。

步骤13：在不同投影距离d的情形下，影像摄取单元161所得到的信号转成电信号后，经由数据处理模块19根据上述的MTF定义计算对应于每个距离d的MTF值，如图6所示。因此，只要定义可辨识程度的最小MTF值，即可得知此待测光学单元14的焦深。

横向彗差的量测流程

横向彗差的量测流程为量测在成像平面上的每一个成像处，其形成的红、绿、蓝影像之间位置的差异性。

步骤31：测试图样选择黑白线对的测试图样121，并利用固定式的13个影像摄取单元161或移动式影像摄取单元161摄取测试图样121的影像并转换成电信号。

步骤32：利用数据处理模块19计算每个影像摄取单元161所量测的红、绿、蓝三种不同频率光线的水平与垂直的影像，以取得红、绿、蓝三种不同频率光线的水平与垂直影像信号的波峰与波谷位置。接着，计算出各颜色之间的波峰或波谷的位置差异，即可量测出该成像位置处的横向彗差程度。

例如图7所示，若影像摄取单元161的像素解析度为7um，一成像处经由步骤31至32测得的红光波峰相对于绿光波峰的偏移量ΔRG为10个像素，则由此可知该镜头在此投影距离下的该成像处，其红光相对于绿光的偏移量为70um。同样，若蓝光波峰相对于绿光波峰的偏移量ΔGB为8个像素，其蓝光相对于绿光之偏移量为56um。

畸变的量测流程

畸变的量测流程为量测投影画面上，由于镜头造成的畸变造成各个成像位置处的红、绿、蓝空间周期与画面中心点处的空间周期产生的差异。

步骤41：测试图样选择黑白线对的测试图样121，并利用固定式的13个影像摄取单元161或移动式影像摄取单元161摄取中心位置的测试图样121的影像并转换成电信号。

步骤42：利用数据处理模块19计算出红、绿、蓝个别影像的水平与垂直波形周期，以做为一标准周期基准，分别标示为水平RH_1，GH_1，BH_1与垂直RV_1，GV_1，BV_T1。

步骤43：在相同投影距离d下，量测其它位置的测试图样121的红、绿、蓝三颜色影像并转换成电信号。

步骤44：利用数据处理模块19计算出其它位置的测试图样121的红、绿、蓝三颜色影像的水平与垂直波形周期RH_n，GH_n，BH_n及RV_n，GV_n，BV_n。经由数据处理模块19计算即可得到第n点投影位置处其水平与垂直方向的红、绿、蓝周期偏移量，进而得到该镜头的畸变量。

其中，上述周期可由影像摄取单元161的像素单位来表示，即计算出影像摄取单元161的水平传感器的两个波峰之间的像素单位。

相对照度的量测流程

相对照度的量测流程为量测在一成像距离下，投影画面上各个位置与中心点的红、绿、蓝照度差异。在量测相对照度时，为减少各个影像摄取单元161的差异性，最好使用移动式影像摄取装置16。

步骤51：在光源稳定之后，使用透光率为0％测试图样121，并利用影像摄取单元161摄取中心位置的测试图样121的红、绿、蓝光线信号，以量测环境漏光或电子噪声。接着，利用调整影像摄取单元161的直流位准偏移(图未示)消除此一环境因素造成之噪声。

步骤52：使用透光率为100％测试图样121，并利用影像摄取单元161摄取中心位置的测试图样121的红、绿、蓝光线信号。接着，分别调整影像摄取单元161的红、绿、蓝增益(Gain)(图未示)，使得影像摄取单元161所输出的红、绿、蓝电信号振幅强度R₁、G₁、B₁相等。

步骤53：使用透光率为100％测试图样121，并利用影像摄取单元161摄取其它位置的测试图样121的红、绿、蓝光线信号R_n、G_n、B_n。

步骤54：利用数据处理模块19计算其它位置的振幅R_n、G_n、B_n。以比较R_n、G_n、B_n与R₁、G₁、B₁的振幅强度即可得到画面中每一个位置的各颜色相对于中心点处的振幅差异，亦即照度的差异。

图8示出本发明的另一实施例，是用以量测投影机的光机引擎，例如该投影系统为XGA(1024×768，单位：像素)。该自动量测系统10’包含一信号产生装置101用以在投影机的LCD面板(图未示)上形成测试图样、一影像摄取装置16用以摄取经过投影机的光机引擎的光信号、一可相对于影像摄取装置16做前后移动并承载待测投影系统102的承载平台18、以及一数据处理模块19用以接收并计算由该影像摄取装置16所传送的电信号。该待测投影系统102与影像摄取装置16的距离为d。当然，信号产生装置101与数据处理模块19可合而为一，例如为一部计算机主机。

该实施例与第一实施例大致相同，其不同点为待测光学单元为一投影机的光机引擎102。另外，测试图样与第一实施例的测试图样相同，其不同点为该测试图样是由信号产生装置101产生并输出于投影机的光机引擎的LCD面板上。至于影像摄取装置16与数据处理模块19均与第一实施例相同，不再赘述。

本实施例的自动量测系统与第一实施例的量测系统相同，可量测光机引擎102的解析度、焦深、横向彗差、畸变、相对照度，同时还可量测光机引擎102的LCD面板的配置旋转角度。由于解析度、焦深、横向彗差、畸变、与相对照度的量测步骤及原理与如前所述之方法相同，差别在于由信号产生装置101将测试图样形成于投影机的光机引擎102的LCD面板(图未示)上；因此，以下仅就LCD面板的配置旋转角度量测做一说明。其步骤如下：

步骤101：由信号产生装置101在LCD面板上产生矩形图框，即矩形同心图样。

步骤102：利用影像摄取装置16的影像摄取单元161测得经过投影的该矩形同心图样的影像，并转换成电信号。

步骤103：利用数据处理模块19处理分析上述电信号，即可得到矩形同心图样的四个角落处的垂直坐标Y1、Y2、Y3、Y4与水平坐标X1、X2、X3、X4。

步骤104：该垂直坐标Y1、Y2、Y3、Y4与水平坐标X1、X2、X3、X4经由数据处理模块19处理后可得到LCD面板相对于参考水平面的旋转程度。

由于光机引擎102一般具有三组输出不同颜色影像的LCD面板，因此在量测时，可分三次量测。

以上虽以较佳实施例说明本发明光学特性自动量测系统，但其仅为一种例示，并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的精神，本行业人员可进行各种变形或变更。

例如，测试图样虽仅说明为形成于透明基板上的黑白线对与全白和全黑图样，但亦可为其它的形式，藉以配合不同的光学特性量测。

Claims (16)

1.一种光学单元的光学特性自动量测系统，用以量测一待测光学单元的光学特性，该自动量测系统包含：

一光源装置，用以提供量测时的光源；

至少一组测试图样，配置于所述光源装置与所述待测光学单元之间；

一影像摄取装置，包含至少一影像摄取单元，并用来摄取穿过所述待测光学单元的所述测试图样的影像，并转成电信号；以及，

一数据处理模块，它连接于所述影像摄取装置，用以根据该影像摄取装置所转换的电信号计算所述待测光学单元的光学特性；

其中穿过所述待测光学单元的影像直接照射于所述影像摄取装置。

2.如权利要求1所述的光学单元的光学特性自动量测系统，还包含一承载台，用来承载所述光源装置、测试图样、以及待测光学单元，该承载台并可相对于所述影像摄取装置移动。

3.如权利要求2所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述待测光学单元为镜头。

4.如权利要求3所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中该自动量测系统可量测所述镜头的解析度、焦深、横向彗差、畸变和相对照度。

5.如权利要求4所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述测试图样形成于透明基板。

6.如权利要求5所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述测试图样包含黑白线对图样、0％透光率图样、100％透光率图样与同心矩形图样。

7.如权利要求2所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述待测光学单元为投影机的光机引擎。

8.如权利要求7所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述自动量测系统可量测所述投影机的光机引擎的解析度、焦深、横向彗差、畸变、相对照度以及LCD面板旋转角度。

9.如权利要求8所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述测试图样形成于投影机的LCD面板上。

10.如权利要求9所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述测试图样包含黑白线对图样、0％透光率图样、100％透光率图样与同心矩形图样。

11.如权利要求2所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述影像摄取装置包含与所述测试图样的影像位置相对应之多个影像摄取单元。

12.如权利要求2所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中该影像摄取装置包含：

一影像摄取单元；

一水平驱动机构；以及，

一垂直驱动机构；

藉以利用所述水平驱动机构与垂直驱动机构将所述影像摄取单元移动至所述测试图样的相对应位置。

13.如权利要求10或11所述的光学单元的光学特性自动量测系统，其中所述影像摄取单元为选自于由彩色线形电荷偶合元件、彩色面形电荷偶合元件、彩色线形接触式影像传感器、彩色面形接触式影像传感器等元件所组成的一组元件中的元件。

14.一种光学单元的光学特性自动量测方法，用以量测待测光学单元的光学特性，该光学特性自动量测方法包括以下步骤：

提供测试图样；

以光源装置照射所述测试图样，并使光线通过所述待测光学单元而投射于一影像摄取装置；以及

以数据处理模块根据所述影像摄取装置的信号来计算所述光学装置的光学特性。

15.如权利要求13所述的光学特性自动量测方法，其中所述自动量测方法可量测所述待测光学单元的解析度、焦深、横向彗差、畸变和相对照度。

16.如权利要求13所述的光学特性自动量测方法，其中所述自动量测方法可量测所述投影机的解析度、焦深、横向彗差、畸变、相对照度和LCD面板旋转角度。

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