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数字式光学传递函数测量和透镜像质评价

数字式光学传递函数测量和透镜像质评价. 实验目的. 实验原理. 仪器介绍. 实验内容. 思考练习. 1. 实验目的. 深入理解光学传递函数的基本理论； 了解光学镜头传递函数测量的基本原理； 掌握传递函数测量和成像品质评价的近似方法； 学习抽样、平均和统计算法 。. 2. 实验原理. 光学传递函数（ Optical transfer function, OTF ）表征光学系统对不同空间频率的目标的传递性能，广泛用于对系统成像质量的评价。

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数字式光学传递函数测量和透镜像质评价

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Presentation Transcript

  1. 数字式光学传递函数测量和透镜像质评价 实验目的 实验原理 仪器介绍 实验内容 思考练习

  2. 1.实验目的 • 深入理解光学传递函数的基本理论； • 了解光学镜头传递函数测量的基本原理； • 掌握传递函数测量和成像品质评价的近似方法； • 学习抽样、平均和统计算法 。

  3. 2.实验原理 光学传递函数（Optical transfer function, OTF）表征光学系统对不同空间频率的目标的传递性能，广泛用于对系统成像质量的评价。 傅里叶光学证明了任何二维物体o (x, y)都可以分解成一系列x方向和y方向的不同空间频率(x ,y)简谐函数(物理上表示正弦光栅)的线性叠加： 式中 为 的傅里叶谱，它正是物体所包含的空间频率 的成分含量，其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓，高频成分则表征物体的细节。 o(x,y) o (x, y) (x,y)

  4. 当该物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或反差度）下降，其次是相位发生变化，这一综合过程可表为： 式中 表示像的傅里叶谱。 称为光学传递函数，是一个复函数，它的模为调制度传递函数（modulation transfer function, MTF），相位部分则为相位传递函数（phase transfer function, PTF）。显然，当H=1时，表示像和物完全一致，即成像过程完全保真，像包含了物的全部信息，没有失真,光学系统成完善像。 i(x,y) H(x,y)

  5. 由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及像差（包括设计中的余留像差及加工、装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及像差（包括设计中的余留像差及加工、装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越 差。 对像的傅里叶谱i(x ,y)再作一次逆变换，就得到象的复振幅分布： (3)

  6. 调制度m定义为: 式中Amax和Amin分别表示光强的极大值和极小值。 光学系统的调制传递函数可表为给定空间频率下像和物的调制度之比: 除零频以外，MTF的值永远小于1。

  7. MTF(x ,y)表示在传递过程中调制度的变化，MTF越高，系统的像越清晰。平时所说的光学传递函数往往是指调制度传递函数MTF。图1给出一个光学镜头的设计MTF曲线，不同视场的MTF不相同。 图1.光学传递函数（不同曲线对应于不同视场）

  8. 本实验用CCD对矩形光栅的象进行抽样处理，测定象的归一化的调制度，并观察离焦对MTF的影响。该装置实际上是数字式MTF仪的模型。本实验用CCD对矩形光栅的象进行抽样处理，测定象的归一化的调制度，并观察离焦对MTF的影响。该装置实际上是数字式MTF仪的模型。 一个给定空间频率下的满幅调制(调制度m=1)的矩形光栅目标物如图2(a)所示 图2 (a) 满幅调制(调制度m=1)的矩形光栅目标函数

  9. 如果光学系统生成完善像，则抽样的结果只有0和1两个数据，像仍为矩形光栅。在软件中对像进行抽样统计，其直方图为一对δ函数，位于0和1。见图2(b)及2(c) 图2(b) 对矩形光栅的完善像进行抽样（样点用”+”表示） 图2(c)直方图统计

  10. 如上所述，由于衍射及光学系统像差的共同效应，实际光学系统的像不再是矩形光栅，如图3(a)所示，波形的最大值Amax和最小值Amin的差代表像的调制度。 图3(a)对矩形光栅的不完善像进行抽样(样点用”+”表示)

  11. 对图3(a)所示图形实施抽样处理，其直方图见图3(b)。对图3(a)所示图形实施抽样处理，其直方图见图3(b)。 图3(b)直方统计图

  12. 3.仪器介绍 实物示意图：

  13. 光学导轨 波形发生器：可数字调频调幅的数字信号发生器

  14. 多用途LED面光源 双胶合透镜：由两种不同折射率的正、负透镜胶合而成

  15. 图像采集卡 CCD：能够把光学影像转化为数字信号

  16. 各个部件整体组装示意图： 图4.传递函数实验光路图

  17. 4.实验内容 • 参照光路示意图4，将各部分光学和机械调整部件安装好，固定到导轨上，CCD与图像卡采集卡相连。 2.调节各光学元件的中心高度，使之同轴，波形发生器可使 用不同空间频率的条纹单元（每个单元由水平条纹、竖直条 纹、全黑、全白4个部分组成），选择想要测量的空间频率的 条纹单元，移动波形发生器使该单元至屏幕中心。 3.根据透镜成像原理，把波形发生器放在物平面，用CCD在像 平面接收，打开图像采集软件，在屏幕中得到相对清晰的放 大的像。

  18. 4.点击软件窗口左侧的“局部存储”按钮，此时整个图像静止屏幕上会出现一红色方框。将该方框拖至水平条纹部分，双击方框内部分，将所采集图像的文件存至Mcad文件夹中，文件后缀为.prn,如此再将竖直条纹部分、全白部分、全黑部分,采集后保存至Mcad文件夹中，局部存储时应采集三条以上的明暗条纹。4.点击软件窗口左侧的“局部存储”按钮，此时整个图像静止屏幕上会出现一红色方框。将该方框拖至水平条纹部分，双击方框内部分，将所采集图像的文件存至Mcad文件夹中，文件后缀为.prn,如此再将竖直条纹部分、全白部分、全黑部分,采集后保存至Mcad文件夹中，局部存储时应采集三条以上的明暗条纹。

  19. 5.运行Mcad文件夹中的MTF-new.MCD文件（该文件是基于5.运行Mcad文件夹中的MTF-new.MCD文件（该文件是基于 Mathcad2001编写的，所以电脑系统中必须预先安装好 Mathcad2001或更高版本），将先前保存在Mcad文件夹中的 水平，数值，白，黑的4个文件名分别粘贴在MTF-new.MCD 文件相应位置的引号内，该程序会将自动处理，并在最后给 出水平方向和竖直方向的MTF值。 6.光源可以分别发出红、绿、蓝三色光，可以用来分别测出 三种波长光照明下的MTF值。

  20. 5.思考练习 • 光学传递函数与目标物的空间频率有何关系？试结合实验加以分析。 • 为提高实验准确度，在调整光路时应注意那些事项？

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