光学系统像质评价的常用方法

 

 

 

 

摘要：随着光电检测器件性能的不断提高和计算机技术的高速发展，光学检查镜头在工业自动化检测系统中得到了广泛应用，对镜头成像质量的要求也越来越高，如何选择一种行之有效的方法对镜头的成像质量进行准确评价也显得尤为重要。  MTF(调制传递函数)是一个准确、客观并且定量的像质评价指标，被公认为当前光学系统像质评价方法中最有效、最全面的方法。本文针对现阶段实验室开发的工业用光学检查镜头的检测系统中存在的缺陷，在对光学传递函数理论和常用的MTF测试方法进行深入研究的基础上，对现有的图像采集和对比度分析方法进行改进，并采用狭缝法和刃边法测试镜头的MTF曲线，与目前测试方法的结果进行对比分析，实现对现有对比度法有效性的标定。  本文第一部分介绍比较了几种常用的像质评价方法，以及MTF测试技术在国内外的发展状况。阐述了光学检查镜头在工业上的发展应用及目前实验室所采用的镜头检测方法，最后提出了本文的研究目标。 

本文第二部分主要介绍了MTF测试技术的理论基础，包括光学传递函数的定义，PSF、LSF、ESF和NTF的关系，并介绍了常用的三种MTF测试方法：狭缝法、刃边法和对比度法。本文第三部分详细阐述了整个MTF测试系统平台的硬件组成。

本文第四部分重点阐述了MTF测试系统的软件实现。介绍了图像采集模块的改进设计，以及本文所采用的图像数据处理算法，阐述了CCD的MTF实验标定方法，并分析了三种MTF测试方法的软件实现流程。    本文第五部分对三种方法的轴上视场和轴外视场实验测试结果分别进行了对比，并分析了系统误差来源。  最后对本文完成的研究工作进行了总结，并对下一阶段的工作方向进行了展望。 关键词：光学检查镜头；调整传递函数；CCD；狭缝法；刃边法；对比度法1绪论

随着光学技术和图像传感器的飞速发展，光学系统已经广泛应用于航天、军工、以及各种民用企业。在我们的日常生活中，形形色色的光学产品几乎随处可见，传统的有照相机、望远镜、显微镜等。现代的光学系统，有紫外、可见和红外等各种形式，它们被广泛应用于如微加工中的芯片光刻、集成电路封装光刻、医用检测(如内窥镜、眼底地形图检测)、半导体器件质量检查、液晶板的检测等，其中，红外光学系统除军用外还可以大量地用于工业，如冶金行业钢材的温度测量，变压器的远距温度测量，民用的体温检查等。随着现代应用要求的快速提高以及光学系统结构多样化发展，对光学系统测量的适用性和可靠性要求也越来越高。如何评价各类光学系统的性能优劣是一个很重要的研究任务和课题，不同类型的光学系统在评价方法上也存在区别。虽然有很多传统的经典方法可以用来评价光学系统的质量，但很多研究机构和光学制造企业仍然花大精力研究简易而有效的像质评价方法来判定它们自己制造的特定的光学系统。本论文的工作从研究检测液晶板用的光学成像镜头的性能展开，并将我们研究的方法和传统的方法作了对比分析。下面，首先对光学系统像质评价的常用方法作一介绍。

1.1 光学系统的像质评价方法概述

成像质量好坏是用来评价一个成像光学系统优劣的重要因素。所谓成像质量，指的是在不考虑放大倍率的情况下，像与物之间强度和色度空间分布的一致程度，即像对物的逼真度。为了准确评价光学系统的成像质量，长期以来，人们一直致力于这方面的研究，目前已经研究出了很多检验方法，最常用的有目视星点检验、鉴别率法、波像差法、光学传递函数法。每种方法都有其各自的适用性和局限性。很多文献都对此作过详细的分析，这里仅简单介绍下每种方法的特点。(1) 目视星点检验星点检验是以星孔为目标物，用人眼利用高倍放大镜或显微镜观察点光源通过被测光学系统在其像面所成的像，以及像平面前后光束截面的弥散斑的形状及照度，定性的评价光学系统的成像质量。星点法是早期较有代表性的用于小像差系统的评价方法。目前，国内外显微镜生产厂家和检验部门对显微镜成像质量的检验大部分都以目视星点检验方法为主。星点检验的实质，是在“空间域”对像质进行描述，把衍射受限系统所成的星点像的光强分布(爱里斑)作为标准，与实际系统所成的星点像的光强分布进行比较，从而了解被检光学系统成像质量的优劣。星点法能够分析与光束结构有关的各种几何像差和装配加工的某些误差，具有简单，直观，灵敏等优点，有经验的检验员可以从星点像的分布，准确判断出光学系统的像差。但是这种方法不能给出定量的数值结果，对弥散斑的分析和判断主要靠经验，检验结果往往和人的主观因素有关。另外，对于系统的对称性像差，如轴上点球差的检测不够灵敏。