CN201043930Y - 光学系统调制传递函数测量仪 - Google Patents

Abstract

一种用于光学系统调制传递函数的光学系统调制传递函数测量仪，本测量仪由计算机及其液晶显示屏，支架，二维彩色CCD和基座组成。测量原理是利用计算机产生的随机噪声图作为检测输入，通过分析成像前后图像的功率谱密度，本实用新型只需一次测量就可快速检测得到光学系统的MTF曲线。该仪器通过计算机程序改变检测输入图像，不仅具有快速检测的特点，也可以方便分析影响调制传递函数的各种因素。

Description

光学系统调制传递函数测量仪

技术领域

本实用新型涉及光学系统，特别是一种用于光学系统调制传递函数(modulationtransfer function，以下称MTF)的测量仪，是一种通过检测随机图样进行MTF快速检测的仪器。

背景技术

光学系统调制传递函数(MTF)是一种描述光学系统成像质量的物理量，通过MTF曲线，可以方便的观察到系统在不同分辨率(lp/mm)下对比度的变化情况。目前，不论是在一次性的精密光学元件的集成组装还是大批量元器件生产的场合，都需要实现MTF的在线快速检测，传统的机械式结构的MTF检测方法需要对检测元件进行分区域扫描，检测的效率不高，应用受限。Glenn D.Boreman在1986年提出的随机目标图法，通过分析物像频谱得到了MTF曲线。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种光学系统调制传递函数测量仪。它应具有结构简化，操作简便，很容易得到MTF曲线；通过调制不同的测试图样改变输入图样的频谱成分，可以对影响MTF曲线的各种因素进行分析，在保证实验条件下精度也可以达到合理的范围，并且整套装置成本较低。

本实用新型通过以下技术方案来实现：

一种光学系统调制传递函数测量仪，其构成包括计算机，该计算机的输出端接液晶显示器，该液晶显示器、支架和二维彩色CCD位于一基座的一直线上，所述的二维彩色CCD的输出端接所述的计算机的输入端，待检测的光学系统置放在所述的支架上，调整使所述的液晶显示器、待检测的光学系统和二维彩色CCD同光轴并满足成像关系，所述的计算机具有随机图样生成软件和相应的数据处理软件。

所述的计算机由随机图样生成计算机和数据处理计算机构成。

利用本实用新型光学系统调制传递函数测量仪进行光学系统调制传递函数的测量方法，包括下列步骤：

①测量前系统的准备工作：

所述的调制传递函数的测量仪置于避光处，将待测光学系统置于所述的支架上，经调整，使液晶显示屏、待测光学系统和二维彩色CCD的中心位置位于同一光轴上并满足成像关系；

②成像后图像测量：

首先通过具有随机图样生成软件的计算机生成一幅随机噪声图，在液晶显示屏上显示，通过待测光学系统成像在所述的二维彩色CCD上得到成像后图像，并将成像图像传输到计算机内进行显示，调节光学镜头，待成像后图像清晰成像后捕捉一帧图像，通过数据线将所得到的成像后图像传送到所述的具有相应的数据处理软件的数据处理计算机；

③数据处理计算机进行数据处理：计算成像后图像的功率谱密度和待测光学系统调制传递函数。

所述的光学系统可以使单透镜，也可以是组合透镜，组合式光学镜头，测量时需保证液晶显示屏与基座垂直，调整待测光学系统和二维彩色CCD的光轴，使其垂直于液晶显示屏，调节要使得由计算机观察到的图像清晰。通过计算机程序生成的检测图像可以包含不同频率、不同颜色，所以可以很方便对影响调制传递函数的因素进行分析。

本实用新型具有以下优点：

1.接收端不需要扫描，因而简化了传统的测量装置；操作简便，通过一次测量就可以得到MTF曲线。

2.通过计算机，调制各种图样(包含不同的频谱，颜色)改变输入图像，可以对影响MTF曲线的各种因素进行分析。

3.在保证实验条件下，测量的精度可以控制在合理的范围，并且整套装置成本较低，是一种具有很大前景的测量仪。

附图说明

图1本实用新型光学系统调制传递函数测量仪的光路结构示意图。

图中：100具有随机图样生成软件的计算机，101液晶显示屏，102待测光学系统，103二维彩色CCD，104基座，105数据处理计算机，106支架

图2为本实用新型采用的随机噪声图的功率谱密度曲线示意图。

图3为成像后的随机噪声图的功率谱密度曲线示意图。

图4为由随机噪声图功率谱密度计算得到的调制传递函数MTF曲线

图5为纯白图像成像后图像的功率谱密度曲线示意图

图6为本实用新型检测不同颜色输入的MTF曲线示意图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型测量仪的工作过程作进一步详细描述。

先请参阅图1，图1本实用新型光学系统调制传递函数测量仪一个实施例的光路结构示意图。由图可见，本实用新型光学系统调制传递函数测量仪的构成包括随机图样生成计算机100，该计算机的输出端接液晶显示屏101，该液晶显示屏101、支架106和二维彩色CCD103位于一基座104的一直线上，所述的二维彩色CCD103的输出端接数据处理计算机105的输入端，待测的光学系统102置放在所述的支架106上，调整使所述的液晶显示屏101、待测的光学系统102和二维彩色CCD103同光轴并满足成像关系，所述的计算机具有随机图样生成软件和相应的数据处理软件。

所述的待测的光学系统102可为单透镜、或多透镜组合镜头。

利用本实用新型光学系统调制传递函数测量仪进行光学系统调制传递函数的测量方法，包括下列步骤：

①测量前系统的准备工作

将所述的调制传递函数的测量仪置于避光处，将待测光学系统102置于所述的支架106上，经调整，使液晶显示屏101、待测光学系统102和二维彩色CCD103的中心位置位于同一光轴上并满足成像关系；

②成像后图像测量：

如图1，首先通过具有随机图样生成软件的计算机100由Matlab生成一幅随机噪声图，在液晶显示屏101上显示，通过待测光学系统102成像在所述的二维彩色CCD103上得到成像后图像，并将成像图像传输到数据处理计算机105内进行显示，调节待测光学系统102，待清晰成像后，捕捉一帧成像后图像传送到数据处理计算机(105)；

③数据处理计算机(105)进行数据处理：计算成像后图像的功率谱密度和待测光学系统调制传递函数。

光学系统调制传递函数MTF，由线性系统理论，成像前后图像满足公式：

PSD_object*MTF² _sys＝PSD_image    (1)

其中：

PSD_object为检测图像的功率谱密度(power spectral density，以下简称PSD)，

PSD_image为成像后图像的功率谱密度，

MTF_sys为光学系统的调制传递函数，

由(1)式可知光学系统102的调制传递函数：

${\mathrm{MTF}}_{\mathrm{sys}}=\sqrt{{\mathrm{PSD}}_{\mathrm{image}}/{\mathrm{PSD}}_{\mathrm{object}}}---\left(2\right)$

图像的功率谱密度的具体计算方法如下：

长度为N的离散函数g[n]，(n＝1，2，…N)，根据功率谱密度定义，功率谱密度为函数g[n]的傅立叶变换的模平方，再除以数组长度：

${\mathrm{PSD}}_{g\left[n\right]}=\frac{|\mathrm{FFT}\left(g\right[n\left]\right){|}^2}{N}---\left(3\right)$

设二元函数f(x，y)代表一幅图像，在计算机内，f(x，y)被离散化为二维数组f(m，n)，取x方向第i行数据f(i，n)，即f(i，1)、f(i，2)....f(i，N)，由公式3知，第i行的功率谱密度：

${\mathrm{PSD}}_{f[i,n]}=\frac{|\mathrm{FFT}\left(f\right[i,n\left]\right){|}^2}{N},$ 在y方向上作M次平均，即得到图像f(x，y)在x轴方向的平均功率谱密度：

${\mathrm{PSD}}_x=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_{f[i,n]},---\left(4\right)$

MTF计算过程

采用随机噪声图作为检测图样是因为，根据随机原理，随机噪声的功率谱密度在各频率处值都为1，图2是本实用新型采用的随机噪声图的功率谱密度曲线示意图，由图2可以看出，采用Matlab生成的随机噪声图的功率谱密度在“1”值附近微小波动。所以一般情况下可以直接采用成像后输出图像的功率谱密度曲线进行MTF计算，对结果的影响很小，从而达到简化测量的目的。

此时，公式2简化为：

${\mathrm{MTF}}_{\mathrm{sys}}=\sqrt{{\mathrm{PSD}}_{\mathrm{image}}}---\left(5\right)$

图3是根据公式4绘制的曲线，即随机噪声图通过光学系统成像后的功率谱密度示意图，由公式5知，光学系统的x轴方向MTF计算公式： $\mathrm{MTF}=\sqrt{{\mathrm{PSD}}_x},$ 绘制曲线如图4所示；采用Matlab自带的函数polyfit对原始数据进行3次多项式拟合后得到的光滑曲线如图4所示。

误差分析

本实用新型光学系统调制传递函数测量仪可以对由背景噪声引起的影响进行测量分析。

因为纯色图像的功率谱不包含任何的高频成分，所以采用一幅纯白图像作为检测输入，经系统成像后的图像的功率谱密度曲线如图5所示，与图2对比，可以看出外界的噪声影响对于引入光学系统的误差最大不超过3％，所以本实用新型方法的测量能够保证足够的测量精度。

本实用新型的测量应用

本实用新型的测量系统最大优点是可以通过改变输入图样，达到观察MTF曲线变化趋势的目的，下面举例分析某一镜头对不同波长的光的响应变化情况。

在可见光内，不同波长的光对应不同的颜色，因此可以采取不同颜色的图像作为输入，采用不同波长的光对于待测光学系统的输入。如图6，取三幅分别只包含红、蓝、绿颜色的噪声图作为输入检测图像，经系统成像后按照上述的计算方法得到三条对应不同波长的系统MTF曲线，如图6所示，由图6可以看出，该系统对于不同波长的光的响应是略有不同的，在这里是对绿色的光更为敏感。

Claims (3)

1.一种光学系统调制传递函数测量仪，特征在于其构成包括计算机，该计算机的输出端接液晶显示器(101)，该液晶显示器(101)、支架(106)和二维彩色CCD(103)位于一基座(104)的一直线上，所述的二维彩色CCD(103)的输出端接所述的计算机的输入端，待测的光学系统(102)置放在所述的支架(106)上，调整使所述的液晶显示器(101)、待测的光学系统(102)和二维彩色CCD(103)同光轴并满足成像关系，所述的计算机具有随机图样生成软件和相应的数据处理软件。

2.根据权利要求1所述的光学系统调制传递函数测量仪，其特征在于所述的计算机由随机图样生成计算机(100)和数据处理计算机(105)构成。

3.根据权利要求1所述的光学系统调制传递函数测量仪，其特征在于所述的待测的光学系统(102)为单透镜、或多透镜组合镜头。

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