[发明专利]一种测量光学系统调制传递函数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量光学系统调制传递函数的装置及其方法。

背景技术

调制传递函数反映了光学系统或光电系统的频率响应特性，是定量评价光学系统或光电系统成像质量的重要性能指标。

早期的调制传递函数测量采用扫描法，即利用单元探测器在像面上扫描来完成测量。随着CCD、CMOS等面阵探测器的成熟，目前调制传递函数的测量主要采用图像傅立叶分析法，即采用针孔、狭缝等作为靶标，利用CCD或CMOS面阵探测器探测像面光强分布后利用计算机分析处理来完成测量。与扫描法相比，图像傅立叶分析法无需扫描机构，具有测量速度快，装置简单等优点。

由于CCD或CMOS等探测器为离散型器件，根据采样定理，超过面阵探测器的Nyquist频率的图像频谱会发生混叠，因此利用面阵探测器直接接收待测光学系统所成的像来测量调制传递函数时，能够测量的最高频率受限于面阵探测器的Nyquist频率，无法测量待测光学镜头高于Nyquist频率处的调制传递函数值。

为了解决这个问题，目前调制传递函数测量时在面阵探测器之前采用中继放大系统对待测光学系统所成的像进行放大，提高待测光学系统的像面处面阵探测器的采样频率，从而能够测量待测光学镜头高于Nyquist频率处的调制传递函数值。

采用中继放大系统存在以下问题：(1)中继放大系统的像质会直接影响到调制传递函数的测量精度；(2)需要对中继系统的放大倍数等参数严格标定，标定误差会带来调制传递函数测量误差的增加；(3)高倍率的中继放大系统会使得探测器像元上的能量减弱，降低了信噪比；(4)采用中继放大系统会带来测量仪器体积和成本的增加。

因此，有必要提供一种调制传递函数的测量装置和测量方法，能够不使用中继放大系统，也能够对待测光学镜头高于Nyquist频率处的调制传递函数值进行测量，即测量的最高频率不受探测器Nyquist频率的限制。

发明内容

本发明目的是提供一种结构简单，便于制造，功能扩展性好，且采样率高的测量光学系统调制传递函数的方法及装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量光学系统调制传递函数的装置，它包括：目标发生器、焦平面探测器、直线运动平台、探测器驱动及视频采集模块和数据处理系统；所述的目标发生器包括刀口靶标、光源和电机，电机驱动刀口靶标，使刀口靶标的刀口像与面阵探测器的像元排列方向形成夹角β，该夹角满足条件：d_s＝dsinβ，其中，d_s为采样间隔，d为面阵探测器的像元的边长尺寸。

所述的刀口靶标为单刀口靶标或双刀口靶标。

所述的面阵探测器为CCD面阵探测器或CMOS面阵探测器。

本发明还提供一种测量光学系统调制传递函数的方法，包括如下步骤：

(1)将待测光学系统置于目标发生器和焦平面探测器之间，并使待测光学系统的光轴和目标发生器的光轴重合；

(2)设定刀口靶标的刀口像与面阵探测器的像元排列方向的夹角β，该夹角满足d_s＝dsinβ，其中，d_s为采样间隔，d为面阵探测器的像元的边长尺寸，电机驱动刀口靶标转动β角度；

(3)直线运动平台沿光轴方向移动探测器，使探测器位于待测光学系统的像面处；

(4)采集探测器输出的图像数据，经数据处理，得到待测光学系统调制传递函数。

所述的数据处理包括如下步骤：

(1)对探测器采集到的刀口像灰度分布进行插值处理，得到采样间隔为d_s的刀口像灰度分布曲线，再进行平滑处理，得到待测光学系统的边沿扩散函数，经微分处理后，得到线扩散函数；

(2)对线扩散函数进行傅立叶变换，将结果进行取模运算，得到初始的调制传递函数值；

(3)将步骤2得到的初始的调制传递函数值去除测试装置本身的调制传递函数值的影响，得到待测光学系统的调制传递函数值。

与现有技术相比，本发明具有如下的特点：

1、本发明采用刀口靶标实现过采样技术，提高了采样率，因此，无需采用中继放大系统即可测量出待测光学系统的调制传递函数，可测量的最高频率高于面阵探测器的Nyquist频率，简化了测量系统，避免了仪器制造过程中复杂的装配和校准工作。

2、本发明采用刀口作为靶标，与使用针孔和狭缝靶测量时需根据不同待测镜头的光学参数改变靶标的规格相比，测量时无需更换靶标，测量系统的稳定性高。同时本发明中可以采用双刀口靶标，只需一次测量，即可获得待测光学系统子午和弧矢方向的OTF值。