光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)的常用方法

摘要：隨著光電檢測器件性能的不斷提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，光學(xué)檢查鏡頭在工業(yè)自動化檢測系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，對鏡頭成像質(zhì)量的要求也越來越高，如何選擇一種行之有效的方法對鏡頭的成像質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)也顯得尤為重要。 MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))是一個準(zhǔn)確、客觀并且定量的像質(zhì)評價(jià)指標(biāo)，被公認(rèn)為當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)方法中最有效、最全面的方法。本文針對現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的工業(yè)用光學(xué)檢查鏡頭的檢測系統(tǒng)中存在的缺陷，在對光學(xué)傳遞函數(shù)理論和常用的MTF測試方法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的圖像采集和對比度分析方法進(jìn)行改進(jìn)，并采用狹縫法和刃邊法測試鏡頭的MTF曲線，與目前測試方法的結(jié)果進(jìn)行對比分析，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有對比度法有效性的標(biāo)定。 本文第一部分介紹比較了幾種常用的像質(zhì)評價(jià)方法，以及MTF測試技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。闡述了光學(xué)檢查鏡頭在工業(yè)上的發(fā)展應(yīng)用及目前實(shí)驗(yàn)室所采用的鏡頭檢測方法，最后提出了本文的研究目標(biāo)。

本文第二部分主要介紹了MTF測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)，包括光學(xué)傳遞函數(shù)的定義，PSF、LSF、ESF和NTF的關(guān)系，并介紹了常用的三種MTF測試方法：狹縫法、刃邊法和對比度法。本文第三部分詳細(xì)闡述了整個MTF測試系統(tǒng)平臺的硬件組成。

本文第四部分重點(diǎn)闡述了MTF測試系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。介紹了圖像采集模塊的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以及本文所采用的圖像數(shù)據(jù)處理算法，闡述了CCD的MTF實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法，并分析了三種MTF測試方法的軟件實(shí)現(xiàn)流程。 本文第五部分對三種方法的軸上視場和軸外視場實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分別進(jìn)行了對比，并分析了系統(tǒng)誤差來源。 最后對本文完成的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對下一階段的工作方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：光學(xué)檢查鏡頭；調(diào)整傳遞函數(shù)；CCD；狹縫法；刃邊法；對比度法1緒論

隨著光學(xué)技術(shù)和圖像傳感器的飛速發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、軍工、以及各種民用企業(yè)。在我們的日常生活中，形形色色的光學(xué)產(chǎn)品幾乎隨處可見，傳統(tǒng)的有照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等。現(xiàn)代的光學(xué)系統(tǒng)，有紫外、可見和紅外等各種形式，它們被廣泛應(yīng)用于如微加工中的芯片光刻、集成電路封裝光刻、醫(yī)用檢測(如內(nèi)窺鏡、眼底地形圖檢測)、半導(dǎo)體器件質(zhì)量檢查、液晶板的檢測等，其中，紅外光學(xué)系統(tǒng)除軍用外還可以大量地用于工業(yè)，如冶金行業(yè)鋼材的溫度測量，變壓器的遠(yuǎn)距溫度測量，民用的體溫檢查等。隨著現(xiàn)代應(yīng)用要求的快速提高以及光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣化發(fā)展，對光學(xué)系統(tǒng)測量的適用性和可靠性要求也越來越高。如何評價(jià)各類光學(xué)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是一個很重要的研究任務(wù)和課題，不同類型的光學(xué)系統(tǒng)在評價(jià)方法上也存在區(qū)別。雖然有很多傳統(tǒng)的經(jīng)典方法可以用來評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量，但很多研究機(jī)構(gòu)和光學(xué)制造企業(yè)仍然花大精力研究簡易而有效的像質(zhì)評價(jià)方法來判定它們自己制造的特定的光學(xué)系統(tǒng)。本論文的工作從研究檢測液晶板用的光學(xué)成像鏡頭的性能展開，并將我們研究的方法和傳統(tǒng)的方法作了對比分析。下面，首先對光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)的常用方法作一介紹。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價(jià)方法概述

成像質(zhì)量好壞是用來評價(jià)一個成像光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素。所謂成像質(zhì)量，指的是在不考慮放大倍率的情況下，像與物之間強(qiáng)度和色度空間分布的一致程度，即像對物的逼真度。為了準(zhǔn)確評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，長期以來，人們一直致力于這方面的研究，目前已經(jīng)研究出了很多檢驗(yàn)方法，最常用的有目視星點(diǎn)檢驗(yàn)、鑒別率法、波像差法、光學(xué)傳遞函數(shù)法。每種方法都有其各自的適用性和局限性。很多文獻(xiàn)都對此作過詳細(xì)的分析，這里僅簡單介紹下每種方法的特點(diǎn)。(1) 目視星點(diǎn)檢驗(yàn)星點(diǎn)檢驗(yàn)是以星孔為目標(biāo)物，用人眼利用高倍放大鏡或顯微鏡觀察點(diǎn)光源通過被測光學(xué)系統(tǒng)在其像面所成的像，以及像平面前后光束截面的彌散斑的形狀及照度，定性的評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。星點(diǎn)法是早期較有代表性的用于小像差系統(tǒng)的評價(jià)方法。目前，國內(nèi)外顯微鏡生產(chǎn)廠家和檢驗(yàn)部門對顯微鏡成像質(zhì)量的檢驗(yàn)大部分都以目視星點(diǎn)檢驗(yàn)方法為主。星點(diǎn)檢驗(yàn)的實(shí)質(zhì)，是在“空間域”對像質(zhì)進(jìn)行描述，把衍射受限系統(tǒng)所成的星點(diǎn)像的光強(qiáng)分布(愛里斑)作為標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際系統(tǒng)所成的星點(diǎn)像的光強(qiáng)分布進(jìn)行比較，從而了解被檢光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的優(yōu)劣。星點(diǎn)法能夠分析與光束結(jié)構(gòu)有關(guān)的各種幾何像差和裝配加工的某些誤差，具有簡單，直觀，靈敏等優(yōu)點(diǎn)，有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)員可以從星點(diǎn)像的分布，準(zhǔn)確判斷出光學(xué)系統(tǒng)的像差。但是這種方法不能給出定量的數(shù)值結(jié)果，對彌散斑的分析和判斷主要靠經(jīng)驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果往往和人的主觀因素有關(guān)。另外，對于系統(tǒng)的對稱性像差，如軸上點(diǎn)球差的檢測不夠靈敏。