动像调制传递函数测量装置

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动像调制传递函数测量装置\n技术领域\n[0001] 本发明是关于光学性质测试领域中动像调制传递函数测量装置。\n背景技术\n[0002] 传递函数的概念是零初始条件下线性系统响应(即输出)量的拉普拉斯变换与激励(即输入)量的拉普拉斯变换之比。传递函数最早应用在经典控制理论中，频率响应法和根轨迹法就是在传递函数的基础上发展起来的主要研究方法。随着对传递函数概念和其适用范围的不断深入研究，传递函数方法已经广泛应用到各科学和工程领域，只要研究对象是系统的激励和响应的关系，并且该系统在时域内满足线性时不变或在空域内满足线性移不变的性质，均可以用传递函数的方法对系统进行描述。比如在生理学上往往用利用传递函数的方法来表述心脏、呼吸器官、瞳孔等的输入输出特性。\n[0003] 由于拉普拉斯变换和傅里叶变换有着明确的数学关系，拉普拉斯变换是傅里叶变换多乘以来一个负指数衰减函数，使其收敛，扩大了傅里叶变换的适用范围。而傅里叶变换又有明确物理意义，就是将时域信号或空域信号转换到频域，因此，可以将传递函数的概念进行扩展，将传递函数定义为线性系统响应(即输出)量的傅里叶变换与激励(即输入)量的傅里叶变换之比。\n[0004] 扩展后的传递函数概念应用在光学领域，就是光学传递函数，利用输出图像频谱与输入图像频谱的比值来描述光学系统的特性。光学传递函数的复角是相位传递函数，该参数仅仅表示图像在垂直光轴的方向上的位移，不影响图像的清晰程度；而光学传递函数的模是调制传递函数，反映了光学系统对于图像对比度的传递能力。现阶段，主要利用调制传递函数对镜头的成像质量进行检测和说明。\n[0005] 然而，随着光电跟踪系统的发展与应用，以CCD为代表的时延成像器件得到广泛应用，如航空摄影技术和光学成像制导技术等。在这些技术领域中，像质退化的因素不仅仅是光学系统自身衍射、像差等因素，而且还有目标的高速运动。为了考查目标高速运动对成像质量的影响，人们开始利用调制传递函数对目标运动造成的像质退化程度进行评价。为了同评价镜头成像质量的调制传递函数有所区别，将评价目标运动造成像质退化程度的调制传递函数称为动像调制传递函数。对动像调制传递函数的深入研究，不仅可以定量描述目标运动对像质退化的影响，而且可以分析出像质退化成因，为运动模糊图像实时复原提供理论依据。\n[0006] 然而，现阶段大量的关于调制传递函数的文章和专利都是针对镜头成像质量的评价和检测的。\n[0007] 1993年，哈尔滨师范大学自然科学学报第9卷第一期34-39页发表了一篇名为《照相物镜的像质评价及其光学传递函数的测定》的文章，该文章介绍了一种利用光学传递函数对物镜成像质量进行评价的传递函数测量装置。由于该文章中所涉及到的光源相对于整个测量装置光路部分保持静止，因此无法提供动态目标，所以不能对动像调制传递函数进行测量。该发明与本发明的发明目的不相同。\n[0008] 日本专利公开号特开2004-37410，公开日平成16年(2004)年02月05日，发明专利《変調伝達関数測定装置ぉよび変調伝達関数測定方法》公开了一种利用调制传递函数对待测镜头成像质量进行评价的测量装置和测量方法。该装置所涉及到的光源相对于整个测量装置光路部分保持静止，同样不能对动像调制传递函数进行测量。该发明与本发明的发明目的同样不相同。\n[0009] 日本专利公开号特开平10-68674，公开日平成10年(1998)年03月10日，发明专利《レンズ系の測定装置及びレンズ系のMTF測定方法》公开了一种利用调制传递函数对待测镜头成像质量进行评价的测量装置和测量方法。该装置虽然将光源部分放置在了一个可以垂直光轴方向进行转动的导轨上，但是设计这种结构的目的是使光线能够以非零的角度入射到待测镜头，而在对镜头成像质量的测量过程中不需要光源运动，即不需要形成动像，与本发明的发明目的不相同。另外，由于该发明在测量过程中不需要形成动像，所以该发明中没有可以使导轨以确定运动形式运动的驱动装置。由于不能为目标提供所需的确定运动形式，所以在测量的过程中无法形成所需运动形式的动像，所以利用该装置不可能完成动像调制传递函数的测量。\n[0010] 虽然上述文章和专利所述的均是利用调制传递函数来对镜头成像质量进行评价的装置，与本发明动像调制传递函数测量装置的发明目的完全不同，但是这些装置的构成，却为动像调制传递函数测量装置提供了一个雏形。\n[0011] 1991 年，SPIE 第 1482 卷“Numerical Calculation of Image Motion and Vibration Modulation Transfer Function”一 文 以 及SPIE 第1533 卷“Numerical Calculation of Image Motion and Vibration Modulation Transfer Functions-a new method”一文分别介绍了动像调制传递函数的频域算法和空域算法的思想，详细推导了匀速直线运动状态以及简谐运动状态下这两种算法的数学模型，并对动像调制传递函数曲线所反映的物理意义进行了分析。虽然这两篇文章仅对动像调制传递函数进行数学推导及仿真，但却为动像调制传递函数测量装置的出现奠定了理论基础——一种是以动态鉴别率板为目标的基于频域理论的动像调制传递函数测量装置，另一种是以动态点光源为目标的基于空域理论的动像调制传递函数测量装置。\n[0012] 1991年5月，《OPTICAL ENGINEERING》第30卷第5号“Image Resolution Limits Resulting from Mechanical Vibrations.Part 2：Experiment”一文中第579～580页中介绍了一台低频简谐运动动像调制传递函数的实验装置。该实验装置工作原理如下：通过一振动平台承载不同空间分辨率的鉴别率板做简谐运动，其振动轨迹由传感器探测，并将结果在示波器上显示；函数发生器同时对鉴别率板的运动状态进行仿真，使实验装置同时具有真实测量结果以及仿真数据。其不足之处是：①此实验装置只能对低频简谐运动动像调制传递函数进行测量而不能兼顾其它运动形式；②相比于空域方法，频域方法每次只能针对目标的某一特定空间频率进行测量，若想绘制动像调制传递函数曲线，需要更换不同空间频率的鉴别率板进行多次测量，测量步骤繁多；为了减少测量步骤，可以采用光栅盘沿垂直光轴方向移动的方法，但是又由于引进了使光栅盘垂直光轴方向移动的结构，并又要使其与图像采集端相配合才能进行测量，所以使整套装置的机械结构就要复杂得多。\n[0013] 中国专利公开号CN101354307A，公开日2009年01月28日，发明专利《动态目标调制传递函数测量方法与装置》，公开了一种高精度多功能的动像调制传递函数测量装置。\n该装置说明了承载光源的滑块所在导轨可以做包括匀速直线运动、匀加速直线运动以及简谐振动的一维运动，因此解决了上述文章的第一个问题，不仅仅局限于低频简谐振动的动像调制传递函数测量；又因为该装置以空域方法为基本原理，因此可以解决上述文章的第二个问题：或简化装置的测量步骤，或简化装置的机械构成。但是其不足之处是：①没有考虑到目标运动会造成图像渐晕，使动像调制传递函数测量结果混有渐晕的影响，造成动像调制传递函数测量结果有误差；②该装置中缺少一个可以对测量结果是否正确进行实时检测的方法，使测量结果正确与否无从得知。\n发明内容\n[0014] 本发明的目的就是针对上述已有技术出现的最后两个问题，提供一种可以消除目标运动造成的图像渐晕的动像调制传递函数测量装置；一种可以实现测量结果和理论模型实时对比的动像调制传递函数测量装置。实现可以提高测量结果的准确性，并能够对测量结果实时检测的目的。\n[0015] 本发明的目的是这样实现的：\n[0016] 一种动像调制传递函数测量装置，包括沿光线传播方向依次配置点光源、准直物镜、光瞳耦合系统、光电成像系统，还包括驱动器、电机、丝杠、计算机和图像采集卡；其中，计算机通过驱动器控制线控制驱动器；驱动器通过电机驱动控制线驱动电机带动丝杠转动，使承载点光源的滑块一沿导轨一按照规定的轨迹运动方程做垂直光轴方向运动；光电成像系统放置在滑块二上，并随滑块二沿导轨二做平行光轴方向滑动；图像传感器输出的图像视频信号经过视频传输线传输到图像采集卡上，图像采集卡的金手指插入到计算机主板的PCI插槽中实现数据的交换；并且：\n[0017] ①光瞳耦合系统为平行光入射和平行光出射；光瞳耦合系统的入瞳与准直物镜的出瞳大小相等，位置相同，重合于光瞳一位置处；光瞳耦合系统的出瞳与光电成像系统的入瞳大小相等，位置相同，重合于光瞳二位置处；\n[0018] 或者：\n[0019] ②拆除光瞳耦合系统，准直物镜的出瞳与光电成像系统的入瞳大小相等，位置相同，重合于光瞳一位置处。\n[0020] 所述动像调制传递函数测量装置，图像传感器的外触发曝光端通过图像传感器外触发曝光成像控制线与驱动器相连，集成在驱动器内部的硬件延时电路设定了滑块一的运动和光电成像系统的图像采集的时间差，硬件延时电路首先通过电机驱动控制线发送给电机驱动信号，在设定的时间差后，硬件延时电路通过图像传感器外触发曝光成像控制线发送给图像传感器曝光成像信号，控制图像传感器曝光成像。\n[0021] 所述的动像调制传递函数测量装置，图像传感器通过图像传感器控制线与计算机相连，编写在计算机上的软件延时程序设定了滑块一的运动和光电成像系统的图像采集的时间差，软件延时程序首先通过驱动器控制线给驱动器发送控制电机带动丝杠转动的驱动指令，在设定的时间差后，软件延时程序通过图像传感器控制线给图像传感器发送曝光成像指令，控制图像传感器曝光成像。\n[0022] 与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：\n[0023] 第一，本发明所述的动像调制传递函数测量装置的特点是：①准直物镜的出瞳与光瞳耦合系统的入瞳大小相等，位置相同；光瞳耦合系统的出瞳与光电成像系统的入瞳大小相等，位置相同，或者②准直物镜的出瞳与光电成像系统的入瞳大小相等，位置相同。而现有技术中并没有对准直物镜、光瞳耦合系统以及光电成像系统入瞳出瞳的大小和位置有匹配要求。所以本发明所述的动像调制传递函数测量装置中，对准直物镜、光瞳耦合系统以及光电成像系统的入瞳和出瞳的尺寸和位置匹配，是区别现有装置的创新点之一。\n[0024] 该特点所带来的有益效果是：通过对准直物镜、光瞳耦合系统以及光电成像系统的入瞳和出瞳的尺寸和位置匹配，使前端光学系统出射的光线全部入射到后端光学系统，从而消除目标运动造成的图像渐晕现象，使本发明所述的动像调制传递函数测量装置可以进一步提高动像调制传递函数测量结果的准确性。\n[0025] 第二，本发明所述的动像调制传递函数测量装置的特点是：①图像传感器的外触发曝光端通过图像传感器外触发曝光成像控制线与驱动器相连，集成在驱动器内部的硬件延时电路设定了滑块一的运动和光电成像系统的图像采集的时间差；②图像传感器通过图像传感器控制线与计算机相连，编写在计算机上的软件延时程序设定了滑块一的运动和光电成像系统的图像采集的时间差。该特点首先使电机接收到来自驱动器的驱动信号，从而驱动滑块一移动，在设定的时间差后，图像传感器曝光成像，保证了驱动丝杠滑块一的运动和光电成像系统的图像采集具有确定的时间差；而现有技术中，并没有要求滑块一的运动和光电成像系统的图像采集具有确定的时间差，因此没有提及关于可以实现设置该时间差的任何硬件连接和对硬件的控制方法。所以本发明所述的动像调制传递函数测量装置中，实现设置该时间差的硬件连接和根据此时间差对硬件的控制方法，是区别现有装置的创新点之一。\n[0026] 该特点所带来的有益效果是：通过设定滑块一的运动和光电成像系统的图像采集的时间差，以此来获得在图像采集的同时导轨的理论运动方程，实现通过对图像的数学变换得到动像调制传递函数的测量结果的同时，通过理论运动方程得到动像调制传递函数的理论模型。将测量结果与理论模型进行比对，实现对测量结果的实时检测。所以本发明所述的动像调制传递函数测量装置可以实现对测量结果与理论模型实时比对，使测量结果正确与否一目了然。\n附图说明\n[0027] 图1是动像调制传递函数测量装置结构示意图\n[0028] 图2是外触发同步曝光的动像调制传递函数测量装置结构示意图\n[0029] 图3是软件同步曝光的动像调制传递函数测量装置结构示意图\n[0030] 图中：1点光源 2准直物镜 3光瞳耦合系统 4光电成像系统 5图像传感器 \n6视频传输线 7计算机 8图像采集卡 9图像传感器控制线 10驱动器控制线 11驱动器 12图像传感器外触发曝光成像控制线 13电机驱动控制线 14电机 15丝杠 16导轨一 17滑块一 18光瞳一 19光瞳二 20导轨二 21滑块二\n具体实施方式\n[0031] 下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。\n[0032] 实施例1\n[0033] 图2是一种外触发同步曝光的动像调制传递函数测量装置结构示意图，包括沿光线传播方向依次配置功率为20mW红光激光器搭配15μm直径的针孔构成的点光源1、准直物镜2、光瞳耦合系统3、光电成像系统4，还包括步进电机驱动器11、42BYG250型步进电机电机14、丝杠15、计算机7和OK_M10B型图像采集卡8；其中，计算机7通过驱动器控制线\n10控制驱动器11；驱动器11通过电机驱动控制线13驱动电机14带动丝杠15转动，使承载点光源1的滑块一17沿导轨一16按照规定的轨迹运动方程做垂直光轴方向运动；光电成像系统4放置在滑块二21上，并随滑块二21沿导轨二20做平行光轴方向滑动；图像传感器5输出的图像视频信号经过视频传输线6传输到图像采集卡8上，图像采集卡8的金手指插入到计算机7主板的PCI插槽中实现数据的交换；并且：光瞳耦合系统3为平行光入射和平行光出射；光瞳耦合系统3的入瞳与准直物镜2的出瞳大小相等，位置相同，重合于光瞳一18位置处；光瞳耦合系统3的出瞳与光电成像系统4的入瞳大小相等，位置相同，重合于光瞳二19位置处；\n[0034] 所述动像调制传递函数测量装置，图像传感器5的外触发曝光端通过图像传感器外触发曝光成像控制线12与驱动器11相连，集成在驱动器11内部的硬件延时电路设计成了同步电路，保证滑块一17的运动和光电成像系统4的图像采集同步进行，相当于时间差为零。硬件同步电路在通过电机驱动控制线13发送给电机14驱动信号的同时，通过图像传感器外触发曝光成像控制线12发送给图像传感器5曝光成像信号，控制图像传感器5曝光成像。\n[0035] 实施例2\n[0036] 图3是一种软件同步曝光的动像调制传递函数测量装置结构示意图，包括沿光线传播方向依次配置功率为20mW红光激光器搭配15μm直径的针孔构成的点光源1、准直物镜2、光瞳耦合系统3、光电成像系统4，还包括步进电机驱动器11、42BYG250型步进电机电机14、丝杠15、计算机7和OK_M10B型图像采集卡8；其中，计算机7通过驱动器控制线10控制驱动器11；驱动器11通过电机驱动控制线13驱动电机14带动丝杠15转动，使承载点光源1的滑块一17沿导轨一16按照规定的轨迹运动方程做垂直光轴方向运动；光电成像系统4放置在滑块二21上，并随滑块二21沿导轨二20做平行光轴方向滑动；图像传感器5输出的图像视频信号经过视频传输线6传输到图像采集卡8上，图像采集卡8的金手指插入到计算机7主板的PCI插槽中实现数据的交换；并且：光瞳耦合系统3为平行光入射和平行光出射；光瞳耦合系统3的入瞳与准直物镜2的出瞳大小相等，位置相同，重合于光瞳一18位置处；光瞳耦合系统3的出瞳与光电成像系统4的入瞳大小相等，位置相同，重合于光瞳二19位置处；\n[0037] 所述动像调制传递函数测量装置，图像传感器5通过图像传感器控制线9与计算机7相连，编写在计算机7上的软件延时程序设计成了软件同步程序，保证滑块一17的运动和光电成像系统4的图像采集同步进行，相当于时间差为零。软件同步延时程序在通过驱动器控制线10给驱动器11发送控制电机14带动丝杠15转动的驱动指令的同时，通过图像传感器控制线9给图像传感器5发送曝光成像指令信号，控制图像传感器5曝光成像。