利用CMOS图像传感器测试成像镜头MTF的实用方法

文章编号:100525630(2006)0620017206

利用CM O S 图像传感器

测试成像镜头M T F 的实用方法

Ξ

张文华,李湘宁

(上海理工大学,上海200093) 摘要:介绍了一种用C M O S 图像传感器测量镜头M T F 的实用方法及其实用实例。该

方法通过引入参考空间频率,利用在C M O S 图像传感器像面上,对被测空间频率与参考空

间频率的像素灰度值的读取,能够便捷并且比较准确地测定镜头的M T F 值。由于参考空间

频率的引入,大体消除了C M O S 图像传感器本身M T F 对测量结果的影响,从而使测量结

果更接近理论运算结果。

关键词:调制传递函数;C M O S 图像传感器;像素灰度值;参考空间频率

中图分类号:TN 402 文献标识码:A

A practica l m ethod for m ea sur i ng m odula tion tran sfer function of optica l i m ag i ng

syste m by usi ng C MOS i m ager sen sor

ZH A N G W en 2hua ,L I X iang 2n ing

(U n iversity of Shanghai fo r Science and T echno logy ,Shanghai 200093,Ch ina )

Abstract :T h is p ap er in troduces a p ractical m ethod fo r m easu ring m odu lati on tran sfer functi on (M T F )of an op tical i m aging system by u sing C M O S i m ager sen so r .T h is m ethod b rings in a new con 2cep ti on of reference frequency .B y reading the p ixel values w h ich reference frequency and tested frequen 2cy m ake on the C M O S i m ager sen so r th rough the op tical i m aging system ,th is m ethod can calcu late ou t the M T F of the op tical i m aging system p rom p tly and accu rately .T he reference frequency can eli m inate m o st of the i m p act C M O S i m ager sen so r itself m akes to the system M T F and therefo re m ake the M T F values m o re accu rate .

Key words :m odu lati on tran sfer functi on (M T F );C M O S i m ager sen so r ;p ixel value ;reference fre 2quency

1　引　言

调制传递函数(m odu lati on tran sfer functi on ,M T F )是复函数光学传递函数(op tical tran sfer func 2ti on ,O T F )的模,由于其能客观地反映成像系统的频率响应特性,因此早已成为光学成像系统像质评价的重要指标[1]。在光学设计中用M T F 作为评价函数进行优化和像质评价已是常用的手段,但对于实际镜头的质量检测由于受到M T F 测试仪器设备条件的限制,因此实际应用并不广泛。使用C M O S (com p lem en 2

第28卷　第6期

2006年12月 光　学　仪　器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .28,N o.6

D ecem ber,2006

Ξ收稿日期:2006201205

作者简介:张文华(19782),女,河南修武人,工程师,硕士研究生,主要从事光学工程方面的研究。

tary m etal 2ox ide sem iconducto r )制造工艺生产的新型的C M O S 图像传感器正在被用到越来越多的领域。现利用C M O S 图像传感器作为成像器件,搭建自制的M T F 检测装置,测定镜头的M T F 。然而和CCD 图像传感器一样[2],C M O S 图像传感器本身作为成像系统的一部分有其自身的M T F [3],因此该测试引入了参考空间频率,用它部分消除了C M O S 图像传感器本身M T F 对测量结果的影响,从而使测量结果更接近理论运算结果。通过对某条形码扫描仪镜头的实际测量,介绍了该测量方法的应用,测量结果与用Ze 2m ax 设计的M T F 曲线相比,有较好的吻合。

2　理论分析

调制传递函数M T F 是指正弦信号通过镜头后,其调制度的变化随正弦信号空间频率变化的函数。调制度M :

M =(I m ax -I m in ) (I m ax +I m in )

(1) 对于原来调制度为M 的正弦光栅,如果经过镜头到达像平面的像的调制度为M ′,则M T F 函数值为:M T F 值=M ′ M 。

M T F 值不但受镜头像差影响,还要受到空间频率、

光圈和像场大小三个变量的影响,所以一般绘制二维的M T F 曲线时都是固定空间频率、光圈和像场三个变量中的两个、剩余一个作为横坐标,并且以M T F 值作为纵坐标。实验中光圈和像场是固定的:现将固定测试镜头的光圈,只对其不同物距下像场中心点处的M T F 进行测试。

在实际应用中,黑白等宽的线列格栅可以近似用来代替正弦光栅进行M T F 的测量。实验即是利用黑白线列格栅作为标靶,不同的是现引入了空间频率很低(0.49lp mm )的格栅作为参考空间频率,如图1所示。由于该频率很低,镜头对此频率的成像近乎完善,M T F 值趋向于1的稳定值,这个值实际就是镜头对大面积色块的反差,反映了镜头固有的反差值。而这样的参考空间频率通过镜头成像到C M O S 上,由于

C M O S 本身也有M T F ,所以参考空间频率在C M O S 上成像的调制度M 包含了镜头固有反差值(用

“a ”表示)和C M O S 自身的传递调制(用“b ”表示)影响,即

M =f (a ) f ′

(b )(2) 现将M 看作是镜头的M T F 参考值,其它较高空间频率的等宽黑白格栅通过镜头在C M O S 产生调制度M ′在包含镜头固有反差和C M O S 传递调制的参考值的同时,也反映了镜头对该空间频率(q )的调制解调能力,即

M ′=F (q ) f (a ) f ′(b )(3)

在(3)式中消去了镜头固有反差和C M O S 自身的传递调制后,可以得到镜头对待测空间频率的调制传递函数,即

M T F 值=M ′ M

(4

)图1　被测空间频率与参考空间频率的比较

根据调制度的定义,其中M =(I m ax -I m in ) (I m ax +I m in ),M ′=(i m ax -i m in ) (i m ax +i m in ),I m ax 和I m in 是参考空间频率在C M O S 上产生的像素灰度值(p ixel value )的最大和最小值。i m ax 和i m in 是被测空间频率在

・81・　光　学　仪　器第28卷