OTF测试仪的自动调焦系统及其自动调焦方法

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OTF测试仪的自动调焦系统及其自动调焦方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学器件的OTF(光学传递函数)测试领域，特别是一种精度高、自动化程度高的OTF测试自动调焦装置和方法。
背景技术
[0002] 在应用光学领域，对光学系统成像质量的评价一直是众所瞩目的问题。所谓成像质量，主要是像与物之间在不考虑放大倍率情况下的强度和色度的空间一致性。即评价一个光学系统的成像质量优劣的根据是物空间一点所发出的能量在像空间的分布情况。在红外系统性能参数测试方面，调制传递函数(MTF)是一项很重要的指标。
[0003] 目前，在调制传递函数测量系统的研究方面，美国和德国处于领先位置，主要的公司有德国OGE公司、美国Optikos公司、德国TRIOPTIC公司。这些公司研制的测量系统的MTF精度能达到±0.02，重复性为±0.01，空间频率范围都比较高。这些仪器的测量范围也很广，可以测量PTF、LSF、PSF、ESF及像散等参数。
[0004] 我国也从70年代起，在应用光学传递函数测量与评价照相机、目视望远镜和办公用复印机等成像质量方面做了大量的研究和探讨工作，并与1984年自行研制成功了检验望远镜产品用的XCH-2型光学传递函数测量仪，在1992年又完成研制了红外内焦面光学传递函数测量仪。目前国内研制MTF测试仪的主要有武汉测绘科技大学、上海第二工业大学、西安应用光学研究所以及浙江大学等。但国内研制出来的测量系统与国外有一定的距离，其性能参数普遍比国外的差。这些测量系统的空间频率范围都比较窄，MTF的精度和重复性都不及国外公司。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种OTF测试仪上使用的自动调焦系统及其自动调焦方法，能够有效地实现OTF值的自动调焦和准确测量。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种OTF测试仪自动调焦系统，包括轨道、电控平台、图像采集模块、自动调焦机械模块和分析处理模块，图像采集模块、自动调焦机械模块位于电控平台上，电控平台位于轨道上；图像采集模块位于自动调焦机械模块之上，分析处理模块单独放置，通过电缆与图像采集模块和自动调焦机械模块相连；分析处理模块包括计算机和相应的OTF测试软件；手调平台位于电控平台上方，图像采集模块固定于手调平台上，图像采集模块包括蔡司镜头、平面镜、第一中继透镜、第二中继透镜、目镜、CCD、图像采集卡；蔡司镜头、第一中继透镜、CCD位于同一光轴，第一中继透镜位于蔡司透镜之后，CCD位于第一中继透镜后方，组成一个共轭光学系统，平面镜绕其自身下端转动度，平面镜下端位于、第一中继透镜、第二中继透镜的中轴交点位置之下，第二中继透镜与第一中继透镜正交放置，目镜位于第二中继透镜的正上方，使蔡司镜头、平面镜、第二中继透镜、目镜构成另一共轭光学系统；自动调焦机械模块包括步进电机、机械传动装置、第一伞形齿轮、第二伞形齿轮、蜗轮、蜗杆，电控平台前后移动方向与轨道方向相同，步进电机与机械传动装置水平固定于电控平台上，步进电机轴向垂直于轨道，第一伞形齿轮固定于步进电机的轴上，第二伞形齿轮轴向与第一伞形齿轮轴向垂直，蜗杆与第二伞形齿轮同轴，蜗杆轴向、第二伞形齿轮轴向平行于轨道，蜗轮与蜗杆垂直放置，蜗轮和机械传动装置相连，步进电机通过第一伞形齿轮及第二伞形齿轮带动蜗杆蜗轮完成变向和减速，蜗轮带动机械传动装置，机械传动装置带动电控平台前后移动；光学系统通过平面镜切换CCD图像采集状态和目镜观测状态，在自动调焦状态时，平面镜平行于蔡司透镜光轴放置，光依次通过蔡司镜头、平面镜和第一中继透镜在CCD上成放大的实像，目镜观察时搬动平面镜的角度为45度，平面镜与蔡司透镜光轴呈45度夹角放置，将光路切换至目镜进行观察，光依次通过蔡司镜头、平面镜、第二中继透镜和目镜成像。
[0007] 本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明可以在原有手动调焦的OTF测试仪上进行改装，成本较低，具有广泛的适用性。在原有机械传动系统结构基础上加装步进电机和相应的涡轮蜗杆传动系统，驱动图像采集系统进行自动调焦，相比手动调焦极大地提高了测试效率；自动调焦和手动调焦两种调焦模式可以通过转动平面镜自由切换；采用高分辨率和灵敏度的CCD，蔡司镜头等设备使采集的图像质量较高，提高了测试精度；用户可以通过设定3个不同空间频率处OTF值的加权作为判据，能够适应不同镜头测试的需要；测试操作一键完成，自动化程度高。其自动调焦前后CCD采集图像和测试得到MTF曲线如附图
5所示。
附图说明
[0008] 图1为本发明OTF测试仪自动调焦系统的结构关系图。
[0009] 图2为本发明OTF测试仪自动调焦系统的图像采集光路示意图。
[0010] 图3为本发明OTF测试仪自动调焦系统的自动调焦机械模块结构示意图，其(a)为正视图，(b)为侧视图。
[0011] 图4为本发明的自动调焦流程图。
[0012] 图5为本发明自动调焦前后结果比较图，其中(c)为离焦的图像和MTF曲线，(d)为自动调焦后的图像和MTF曲线。
具体实施方式
[0013] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0014] 本发明OTF测试仪自动调焦系统，包括轨道13、电控平台12、图像采集模块、自动调焦机械模块和分析处理模块，图像采集模块、自动调焦机械模块位于电控平台12上，电控平台12位于轨道13上；图像采集模块位于自动调焦机械模块之上，分析处理模块单独放置，通过电缆与图像采集模块和自动调焦机械模块相连；分析处理模块包括计算机和相应的OTF测试软件；手调平台11位于电控平台12上方，图像采集模块固定于手调平台11上，图像采集模块包括蔡司镜头1、平面镜2、第一中继透镜3、第二中继透镜4、目镜6、CCD5、图像采集卡；蔡司镜头1、第一中继透镜3、CCD5位于同一光轴，第一中继透镜3位于蔡司透镜
1之后，CCD5位于第一中继透镜3后方，组成一个共轭光学系统，平面镜2绕其自身下端转动45度，平面镜2下端位于第一中继透镜3、第二中继透镜4的中轴交点位置之下，第二中继透镜4与第一中继透镜3正交放置，目镜6位于第二中继透镜4的正上方，使蔡司镜头1、平面镜2、第二中继透镜4、目镜6构成另一共轭光学系统；自动调焦机械模块包括步进电机
15、机械传动装置14、第一伞形齿轮7、第二伞形齿轮8、蜗轮17、蜗杆9，电控平台12前后移动方向与轨道13方向相同，步进电机15与机械传动装置14水平固定于电控平台12上，步进电机15轴向垂直于轨道13，第一伞形齿轮7固定于步进电机15的轴上，第二伞形齿轮8轴向与第一伞形齿轮7轴向垂直，蜗杆9与第二伞形齿轮8同轴，蜗杆9轴向、第二伞形齿轮8轴向平行于轨道13，蜗轮17与蜗杆9垂直放置，蜗轮17和机械传动装置14相连，步进电机15通过第一伞形齿轮7及第二伞形齿轮8带动蜗杆9蜗轮17完成变向和减速，蜗轮
17带动机械传动装置14，机械传动装置14带动电控平台12前后移动；光学系统通过平面镜2切换CCD5图像采集状态和目镜6观测状态，在自动调焦状态时，平面镜2平行于蔡司透镜1光轴放置，光依次通过蔡司镜头1、平面镜2和第一中继透镜3在CCD5上成放大的实像，目镜6观察时搬动平面镜2的角度为45度，平面镜2与蔡司透镜1光轴呈45度夹角放置，将光路切换至目镜6进行观察，光依次通过蔡司镜头1、平面镜2、第二中继透镜4和目镜6成像。
[0015] 本发明OTF测试仪自动调焦系统，手调平台11具有调节手柄16，可实现手动调焦。
[0016] 本发明OTF测试仪自动调焦系统的自动调焦方法，分为粗调和细调，粗调等间距采集图像，计算找到粗调的最大值点作为目标点，细调根据粗调目标点两侧相邻两点的调焦判据值的大小判断移动方向，其移动方向为较大一点所在方向，然后步长减为前次的一半，移动至新的目标点，开始新一轮判断，如此反复，直到达到需要的精度；细调初始有粗调得到两参考点X1和X1，目标点X0；首先比较两参考点对应Δ1与Δ2的大小，若Δ1＞Δ2，则将X1、X0所对应位置作为新的参考点X1′、X2′，若Δ1＜Δ2，则将X0、X2所对应位置作为新的参考点X1′、X2′；然后图像采集模块移动至两参考点中央，将此处作为新的目标点X0′；重复以上两步，直到细调达到要求的精度，此时的目标点X0对应的位置就是焦平面位置。
[0017] 本发明OTF测试仪自动调焦系统的自动调焦方法，调焦判据选取的三个不同线对数对应的OTF值分别为X、Y、Z，权值系数分别为α、β、γ，则判据为：αX+βY+γZ，其中α+β+γ＝1，用户通过给予不同的权值系数适应不同光学系统的测量。
[0018] 离轴抛物面反射镜与被测透镜构成有限共轭光学系统，在离轴抛物面反射镜的焦点上有一个十字线光源，十字线光源发出的光经过离轴抛物面反射镜后形成平行光，平行光透过被测透镜成像在焦点上，形成十字线光源像。该焦点同时又处于显微光学系统的物方焦点上，利用百万像素CCD与显微镜构成的图像采集模块对十字线光源像进行图像采集，使用计算机对CCD采集到得图像进行处理，获得此状态下的被测镜头的OTF曲线，根据曲线上的指定坐标处的OTF值，控制步进电机运动。图像采集模块固定在一个电控平台上，由步进电机控制可实现沿光轴前后移动。步进电机通过伞形齿轮带动电控平台前后移动，实现自动调焦。该电控平台具有调节手柄，可以实现手动调节。调焦过程分为粗调和细调。
用户最多设定3个不同空间频率处OTF值的加权作为调焦判据。找到焦平面后对焦点处采集的图像进行处理得到精确的调制传递函数曲线。调焦判据的说明如下：
[0019] 调焦判据：设三处分别为线对数(空间频率)X、Y、Z，权值系数分别为α、β、γ。
则判据
[0020] Δ＝αX+βY+γZ (1)
[0021] 其中α+β+γ＝1。
[0022] 用户通过给予不同的权值系数适应不同光学系统的测量。
[0023] 下面对调焦流程作具体说明：
[0024] 如附图4所示，自动调焦流程分为粗调和细调。开始调焦后，首先进入粗调。
[0025] 粗调：由于调焦沿光轴进行，设调焦范围总长度为L，将L均匀分成N份，作为每次图像采集间隔长度K，即粗调的步长，则步长K＝L/N。沿移动方向建立一维坐标系，以一端为原点，即X＝0，图像采集模块从开始每隔步长K采集一次图像，计算得到此处调焦判据设为Δ，一共得到(N+1)个点的Δ值。选取Δ最大值所对应的坐标X＝x为粗调的目标点，用X0表示。设目标点前后两点为参考点，分别用X0、X1和X2表示，对应Δ值分别为Δ0、Δ1、Δ2，其中X1＝x-K、X2＝x-K。将图像采集模块移到目标点X0处，进入细调。
[0026] 细调：
[0027] 1)由粗调得到两参考点X1和X2，目标点X0。
[0028] 2)比较两参考点对应Δ1与Δ2的大小。若Δ1＞Δ2，则将X1、X0所对应位置作为新的参考点X1、X2；若Δ1＜Δ2，则将X0、X2所对应位置作为新的参考点X1、X2。
[0029] 3)图像采集模块移动至两参考点中央，将此处作为新的目标点X0。
[0030] 4)重复步骤2、3，直到细调达到要求的精度。此时的目标点X0对应的位置就是焦平面位置。
[0031] 在完成细调之后，调焦结束。
[0032] 本自动调焦系统分为图像采集模块、自动调焦机械模块和分析处理模块三个部分，其系统结构关系如附图1所示。
[0033] 一是图像采集模块，由共轭光学系统和图像采集卡组成。其中共轭光学系统如附图2所示，包括蔡司镜头1、平面镜2、第一中继透镜3、第二中继透镜4、CCD5和目镜6。十字线光源经被测光学系统后形成缩小的像，经过50倍平场复消色差显微镜头形成平行光，该镜头采用高端蔡司镜头1。在自动调焦状态时，光通过第一中继透镜3在CCD上成放大的实像。需要目镜6观察时搬动平面镜2的角度为45度，将光路切换至目镜6观察状态。
[0034] 第二是自动调焦机械模块。由接口电路、驱动电路、步进电机15和机械传动装置
14组成。其中自动调焦机械模块结构如附图2所示。计算机控制步进电机15转动，通过第一伞形齿轮7和第二伞形齿轮8配合蜗轮17蜗杆9进行变向和减速，驱动机械传动装置14带动电控平台12前后移动，实现自动调焦。该手调平台位于电控平台12上方，具有调节手柄16，可以实现手动调焦。
[0035] 第三是分析处理模块。主要由计算机和相应的OTF测试软件组成。该模块负责对采集的图像进行处理，判据评价，发出控制信号驱动步进电机15运动，最后得到光学系统的OTF曲线。用户可最多设定3个不同空间频率处OTF值的加权作为自动调焦的判据。
[0036] 手动调焦时，先点击软件界面上的向前向后键，控制电控平台12移至焦点附近，再转动调节手柄16，进行手动调焦。自动调焦时，只需点击软件界面上的自动调焦键即可自动完成调焦功能。自动调焦和手动调焦可以结合使用。
[0037] 实验采用已经过标定的镜头，将其装入OTF测试仪中镜头固定架中，点击软件界面上的自动调焦键，最后测得该镜头的的OTF曲线。其数据如下表所示，误差在5％以内。
[0038]
线对数 标准数据 测得数据 误差(％)
0 1.000 1.000 0
10 0.868 0.891 2.65
20 0.626 0.647 3.35
30 0.341 0.355 4.10
40 0.107 0.112 4.67