光学传递函数测试仪的现状和发展趋势

文章编号!"##$%$&’#()##’*#$%##+,%#$光学传递函数测试仪的现状和发展趋势-樊翔.倪旭翔(浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心.浙江杭州’"##)/*摘要!光学传递函数被公认为目前评价光学系统成像质量比较客观0有效的方法1给出光学传递函数的基本理论.介绍了目前国内外主要光学传递函数测试仪的数学模型0测试原理0基本结构和主要性能.并阐述了今后光学传递函数测试仪的发展趋势1关键词!光学传递函数2测试仪2现状2发展趋势中图分类号!34/+文献标识码!567898:;9;<;=9<:>>8?8@A B C8:;;78:>A D E F G;89;H:IH:9;7=C8:;J5K L M N O P.KQ L R S T M N O P(U V W X UY Z[\]^_‘a b c d e^[f g h d^.i j h k_a d lm d_n h[e_^o.p a d l q j Z f’"##)/.U j_d a*r s9;7<t;!u j hZ]^_‘a b^[a d e Y h[Y f d‘^_Z d(\u v*_ew h b b x d Z w da e^j hg Z[hZ y k h‘^_n ha d zh Y Y h‘^_n h g h^j Z z^j a^_ef e h z_dh n a b f a^_d l^j hZ]^_‘a b e o e^h g_g a l_d l{f a b_^o|c d^j_e]a]h[^j hY f d z a g h d^a b ^j h Z[o_e][h e h d^h z.^j h g a_d\u v^h e^_d l_d e^[f g h d^e j Z g h a d za y[Z a za^][h e h d^a[h_d^[Z z f‘h z_dZ f[‘Z f d^[oa d zY Z[h_l d._d‘b f z_d l^j h_[g a^j h g a^_‘a b g Z z h b.g h a e f[_d l][_d‘_]b h.y a e_‘e^[f‘^f[ha d zg a_d ]h[Y Z[g a d‘h|u j h z h n h b Z]g h d^^[h d z e Z Y\u v^h e^_d l_d e^[f g h d^a[h a b e Z[h][h e h d^h ze]h‘_a b b o| }8~!A7>9!\u v2^h e^_d l_d e^[f g h d^2][h e h d^e^a^f e2z h n h b Z]g h d^^[h d z"引言光学系统成像质量的评价.一直是应用光学领域中众所瞩目的问题1所谓成像质量.主要是像与物之间在不考虑放大率情况下的强度和色度的空间分布的一致性1为了能准确评价光学系统的成像质量.人们研究了许多种检验方法.如!几何像差检验0鉴别率检验0星点检验1但这些检验方法都各有自己的适用范围和局限性1近代光学理论的发展.证明了光学系统可以有效地看作一个空间频率的滤波器.而它的成像特性和像质评价则可以用物像之间的频谱之比来表示.这个对比特性就是所谓的光学传递函数1用光学传递函数来评价光学系统的成像质量是前面方法的发展1它是基于把物体看作是由各种频率的谱组成的.也就是把物体的光场分布函数展开成傅里叶级数(物函数为周期函数*或傅里叶积分(物函数为非周期函数*的形式1因此光学传递函数反映了光学系统的频率特性.它既与光学系统的像差有关.又与系统的衍射效果有关.并且以一个函数的形式定量地表示星点所提供的大量像质信息.同时也包括了鉴别率所表示的像质信息1因此光学传递函数被公认为目前评价光学系统成像质量比较客观0有效的方法1　万方数据-收稿日期!)##’S#+S)$作者简介!樊翔("#//S*.男.江西南昌人.硕士生.主要从事光学测量仪器方面的研发1!数学模型"#$从测量原理上可分为%扫描法&自相关法&互相关法&频谱分析法等’目前大多数"#$测试仪都采用了数字傅里叶分析法(其数学模型为)*(+,%-./01(2345676567689/0:(;3<=>)7?+@0:1A ;23,B :B ;0*3式中:(;为参考像面的坐标(1&2分别是沿:(;方向上的空间频率’89/是点扩散函数’二维-./的计算都比较困难’因此常在一个确定的方位角C下测量’因为空间频率展开的方位角C 确定以后(在这个方向上的-./可以用一维函数表示’一般令C4D (则0*3式可写成%-./01345676E 9/0:3<=>07?+@1:3B :4F./013<=>)7?8./013,0+3其中E 9/0:34567689/0:(;3B ;0G 3式中E 9/为线扩展函数(F./为调制传递函数(8./为相位传递函数(89/为点扩展函数’0+3式表明在非相干照明条件下(-./为E 9/的傅里叶变化’将0+3数字化(则可得到%-./0134H :I J7*K 4D E 9/0:K 3<=>07+@?:K 30L 3式中H :为采样间隔’M 发展现状M N O 国外方面德国"P Q 公司生产的R S T U <S V 系列的全能透镜测量仪(使用了W W X 光电转换器件(可以进行Y#$&焦距&截距及星点的测量’其测量过程是与计算机上高分辨力图像处理系统联合进行的(排除了操作人员的主观误差(并可以对测量数据快速记录和处理’其Y#$精度达到ZDN D +(重复性为ZD N D *(空间频率范围为D [*D D D U \]](最大离轴角为ZL ^_’如图*所示%图*R S T U <S V全能透镜测量仪另外("Q P 公司还生产了另一种视频Y#$测量仪‘‘a b c T b S d’它可以用于有限远\有限远及无限远\有限远的光路测量’这种自动测量形式使之非常适合于在生产中对透镜进行*D D e 的测量(以及来件和最终检验’它的Y#$测量是从刃形图像得出的(包括径向和切向’刃形图像由样品和一个微物镜在W W X 芯片上成像’评价系统包括一个图像采集卡和图像处理软件(它们可以对视频信号进行数字化处理和分析’Y#$精度达到ZD N D +(重复性为ZD N D *(空间频率范围为D [*D D D U \]](最大离轴角为ZL ^_(如图+f g L f 第^期樊翔等%光学传递函数测试仪的现状和发展趋势　万方数据所示!图"#$%&$’(视频)*+测量仪美国,-(&./0公司生产的(12,-(&./0,-*20(*)*20(&’3450(26使用于多种透镜的测量7其软件和硬件的性能都非常出色7可以测量)*+89*+8:4+894+8;4+及像散<德国*=>,9*>?公司生产的传递函数测试仪)*+@*20(4($(&/’0可以测量)*+89*+8有效焦距8曲率8畸变8相对透射8渐晕8像散8和简谐畸变<其主要技术参数为!)*+精度达到A BC B "7重复性为AB C BD 7空间频率范围为B E"B B B F G 667最大离轴角为AH B I <J C K 国内方面武汉测绘科技大学光电学院的刘明华等人研制开发了以?L 为接收器的新型,*+测试系统<该系统以精密的刀口为目标物7在物方作高精度扫描7直接以??L 器件作为光电变换器件7并兼作采样狭缝7对刀口扩展函数进行高精度8高分辨力的自动扫描采样7同时配以微机技术7以数字傅里叶分析法测得光学系统的,*+<该系统测量)*+的不重复性优于ABC B "7确定度优于AB C B M N M O <上海第二工业大学的赵燕玉等人研制的,*+测量系统<使用扫描法进行测量7以狭缝作为目标物7以?L 作为接收器件7对接收到的狭缝经物镜所成的像PP 线扩展函数进行采样7并用离散傅里叶变换得到了,*+<该系统的精度为B C B M 7重复性为B C B "7在"分钟内测出物镜的D B 种空间频率的)*+值N Q O <西安应用光学研究所的杨红等人设计的大口径可见光到红外波段,*+测试仪<该仪器的主要特点是!大口径8宽光谱8宽量限8准确度高8功能齐全R 可测量照相系统的,*+7并兼有测量焦距8放大率和光谱透射比等参数S 8自动化程度高8性能稳定<它采用组件式组合7各组件可安放或固定在光学平台上7与被测系统组成不同的共轭方式的光路<,*+G )*+的测量都在计算机控制下进行<它测量不确定度为!可见光至红外波段!轴上B C B M 8轴外B C B T U 红外波段!轴上B C B Q 7轴外B C B H <重复性!B C B D 7空间频率范围为B EM B B F G 667视场角AM B I N T O <浙江大学的林逸群等人在V B 年代初设计了一种,*+测试仪<该仪器以星孔为目标物7经计算机控制的W 刀口X 切割由被测物镜所形成的星点像而获得刃边扩展函数R ;4+S 7通过计算机对其进行微分得到一维:4+7再对:4+进行离散傅里叶变换而获得表征被测物镜成像质量的)*+和9*+<该仪器在B EM B B F G 66范围内的测试精度YABC B "和重复性YAB C BD N H O <随着集成电路技术的飞速发展7出现了集成度高7几何尺寸精确7光敏元小7灵敏度高的?L 和),4成像器件来代替传统的光电装置R 如光电倍增管S 7再加上计算机技术的不断发展7所以上述,*+测试仪中基本上都使用数字傅里叶分析法7且光电转换器件大多是?L R 电荷耦合器件S 7这是因为??L 既有光电转换功能7又具有信号电荷的存储8转移和读出功能<它能把一幅空间域分布的图像7变换为一列按时间域离散分布的电信号<并且有灵敏度高8光谱响应宽8动态范围大8像元尺寸小8几何精度高8抗振动和潮湿及成本低的特点<由于?L 图像传感器是以时间积分方式工作的7光积分时间可以在很宽的范围内调节7所以输出信号易于与计算机连接7进行数字化处理<Z 发展趋势目前研制,*+G )*+仪器的理论基础已经相当成熟了<主要的设计重点都放在了如何更好的与日益发展的计算机技术的结合7并结合不断发展的光电转换传感器件和图像采集器件7以及相应的图像处理技[B T [光学仪器第"T 卷万方数据术!使得测量的图像数据更完整地被处理分析!更准确迅速地显示出来"以及如何使装置更加精巧"测量范围更加广泛!达到更高的精度#$%&图像处理方面由于要对图像进行处理!所以性能良好的计算机以及相应的图像处理对获得良好的结果非常重要#其中处理图像的算法尤为关键!一种良好的算法不仅可以高效地处理图像!而且可以减少系统的误差!直接提高仪器的精度!因此选择和设计一种好的图像算法是未来’()测试仪开发的一个重要方面#此外不断得到改进的计算机编程语言*现在常使用的是+,-./0123-+455等6会大大减少图像处理的时间!改善用户使用界面#$%7光电转换器件方面由于44.制作比较复杂!工艺要求严格!且与一般集成电路工艺不兼容!成本比较高!随着48’9集成电路工艺的不断进步和完善!采用亚微米和深亚微米48’9集成电路工艺制造的48’9图像传感器芯片获得了迅速的发展和广泛应用#它与44.相比较的主要优点在于*:6集成度高!可将图像传感器阵列-驱动和控制电路-信号处理电路-;<.转换电路-全数字接口电路等集成在一起!可实现单芯片成像系统#*=6工作电压低!功耗小!仅为44.的十分之一#*>648’9与44.的图像数据扫描方法有很大的差别#举个例子!如果分辨力为>??万像素!那么44.传感器可连续扫描>??万个电荷!扫描的方法非常简单!并且只有在最后一个数据扫描完成之后!才能将信号放大#48’9传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器#因此!48’9传感器可以在每个像素基础上进行信号放大!采用这种方法可节省任何无效的传输操作!所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描!同时噪音也有所降低#*@644.图像传感器图像信息不能随机读取!而这种随机读取对很多应用是不可少的"48’9图像传感器可对局部像素图像编程随机访问#*A 644.电荷耦合器件采用B C 结或D 氧化硅隔层隔离噪声"48’9通过采用新工艺和改善相关双采样电路!独有的传感器技术能有效降低固定模式噪声*)B C 6!减小暗电流#*E 6体积小-成本低*约为44.的二十分之一6-像素缺陷率低*约为44.的二十分之一6-宽光谱灵敏度-使用方便#*F 644.图像传感器对红外特别敏感!所以对光源要求就比较高!当以白光作光源时误差就比较大!而48’9图像传感器则没有这一限制!这一点可以使实验更加方便地进行G F H I J #当然48’9也存在很多不足之处#比如K 量子效率*L M N O P Q R O S /T T 3U 3/Q U V 6-电荷收集效率*44MU 2P W X /U Y 00/U R 3Y Q/T T 3U 3/Q U V 6-分辨力-动态范围-图像质量方面不及44.G :?J !特别在弱光响应时!性能较差#综合考虑所有因素!且对于采用扫描方法进行’()测试的仪器来说!使用光电转换器件主要是为了采集目标物所成像的光强分布!即得到*@6式中的Z 9)!故使用48’9可以得到更好的性价比#目前48’9图像传感器主要朝着高分辨力-高灵敏度-大动态范围-微型化-数字化和多功能化的方向发展!因此通过提高48’9制造工艺!在今后的’()测试仪的开发中!会越来越多地使用48’9图像传感器进行目标物图像的接收#$%[仪器功能方面未来的’()测试仪中不仅仅具有传统测试仪的一些功能*测量某些视场8()!B ()6!而且应该可以测试各个视场的数据!同时还应具有测量其他光学系统参数的能力#如K 焦距-曲率-畸变等#使得’()测试仪成为一台全功能的测量仪器!这样在市场竞争中才会有优势!这一点国内仪器与国外仪器的差距较大!这也是应该不断改进的地方#$%$应用领域方面由于现在小透镜的应用日益广泛!如K 可视电话镜头!手机中的摄像机镜头等!所以工厂在线-快速测量这些镜头性能的需求必定日益广泛!因此对用于这方面的’()测试仪开发会不断被重视!此类仪器功能应该是比较具体的*只检测某一方面的性能6!可以快速测量得到数据#目前正在开发的’()测试仪就是应用于工厂的在线测量!采用了’S Q 3+3\3Y Q 公司的’+F@:?单芯片48’9黑白图像传感器!在单个芯片上高度集成了黑白模拟摄像机的全部功能!可以输出B ;Z <C (94全电视信号和9]视频!而且它体积小!工作电压低*A +6-功耗低-成本低#同时为了进行全视场测量!根^:A ^第A 期樊翔等K 光学传递函数测试仪的现状和发展趋势　万方数据据计算!使用"个#$%&’此外为了使计算机能分别处理不同#$%&传来的图像信息!采用一块控制电路对各个#$%&信号进行选通!实现每一时刻只有一路#$%&传输出信号给图像采集卡!使计算机能够分别处理不同视场的信息’(结束语光学传递函数目前在像质评价方面已经占有了主导地位!并且已经广泛地应用到控制光学设计过程和光学系统检验之中’相信随着各种技术的发展!光学传递函数测量仪会更加准确)全面!为相关领域的研究带来极大的方便’*参考文献+,-麦伟麟.光学传递函数及其数理基础+/-.北京0国防工业出版社!,"1".+2-庄松林!钱振邦.光学传递函数+/-.北京0机械工业出版社!,"3,.+4-刘明华!何平安!余模智.一种以##5为接收器的新型%67测试系统+/-.仪器仪表学报!,""1!,389:092";942.+<-赵燕玉!李正民!严忠军!林逸群.用##5测量光学系统%67的研究+/-.仪器仪表学报!,""2!,482:0,<4;,<9.+=-杨红.大口径可见光到红外波段光学传递函数测试仪的标定+/-.光学技术!2>>,8,:031;"<.+9-林逸群!李正民!包正康.一种新型的%67测试仪+/-.仪器仪表学报!,"">!,,8,:0";,<.+1-张文选!范红.#$%&图像传感器介绍+/-.长春光学精密机械学院学报!2>>2!2=8,:099;93.+3-程开富.#$%&图像传感器及应用+/-.半导体光电!2>>>!2,8增刊:02=;23.+"-宋勇!郝群!王涌天!王占和.#$%&图像传感器与##5的比较及发展现状+/-.仪器仪表学报!2>>,!2,8增刊:0431;43".+,>-/?@A B /.C D EF G ?H B I A G 0J K @L M A @A H F ?G N@A F ?M K E O P A B A @O J K H P D J F K G B Q A G B D B J R ?G S A T J K D L M A PP A Q O J A B +/-.%L F U H SVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV WWWWWW W W W W W W X X XX !<,89:0,2>4;,2,=.消息远紫外线太空望远镜韩国第一架远紫外线太空望远镜YY Z 远紫外线光谱分析仪87[$&:\已开发成功’这架望远镜作为韩国科学探测,号卫星塔载的主科研设备!于"月29日在俄罗斯普列谢茨克航天发射场发射升空!被送入远地点为9">]@的椭园形观测轨道上’7[$&是韩国天文研究院)韩国科学技术院同美国国家航空航天局)加利福尼亚大学伯克利分校从,""3年开始合作研制的!大部分采用了韩国技术’7[$&上天后!将争取用两年左右的时间绘制全球首张Z 远紫外线宇宙全图\’韩国天文研究院负责人表示!Z 宇宙全图\的成功绘制将有助于解开2,世纪困扰天文学家的一道难题!揭示银河系内部高温气体星云的结构)分布以及物理性质!进而在银河系的演变的研究中起到重要作用’韩国科学技术部,""3年选定7[$&项目作为韩国第一颗科学研究卫星塔载的主试验设备’2>>,年!开发人员完成了认证模型’目前!韩美两国的天文学家将组成联合工作小组!共同完成主要的观测任务并分析观测资料’8摘自^科技日报_:‘2=‘光学仪器第2=卷　万方数据光学传递函数测试仪的现状和发展趋势作者：樊翔， 倪旭翔作者单位：浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心,浙江,杭州,310027刊名：光学仪器英文刊名：OPTICAL INSTRUMENTS年，卷(期)：2003，25(5)被引用次数：6次1.麦伟麟光学传递函数及其数理基础 19792.庄松林.钱振邦光学传递函数 19813.刘明华.何平安.余模智一种以CCD为接收器的新型OTF测试系统 1997(06)4.赵燕玉.李正民.严忠军.林逸群用CCD测量光学系统OTF的研究 1992(02)5.杨红大口径可见光到红外波段光学传递函数测试仪的标定[期刊论文]-光学技术 2001(01)6.林逸群.李正民.包正康一种新型的OTF测试仪 1990(01)7.张文.范红CMOS 图像传感器介绍[期刊论文]-长春光学精密机械学院学报 2002(01)8.程开富CMOS图像传感器及应用[期刊论文]-半导体光电 2000(ZK)9.宋勇.郝群.王涌天.王占和CMOS图像传感器与CCD的比较及发展现状[期刊论文]-仪器仪表学报 2001(z3)10.James J Lux transfer:complementary metal oxide semiconductors versus charge-coupled devices1.学位论文黄震基于数字傅立叶分析法的MTF测试研究2007光学传递函数是目前评价光学系统成像质量最客观、最有效的方法之一，广泛地应用于光学系统设计的过程控制和光学成像系统的像质评价与检测中。