GB13742-1992光学传递函数测量准确度.pdf

中华 人 民 共 和 国 国家 标 准 光学传递函数测量准确度“ B /T 1 3 7 4 2 - 9 2 O p t i c a l t r a n s e r f u n c t i o n - a c c u r a c y o f me a s u r e m e n t1 主题内容与适用范围 本标准规定 了 对光学传递函数测量装置的性能和准确度进行评价的导则， 并提出 了 光学传递函数测量中的主要误差来源、 误差的检验方法、 误差计算、 测量准确度等。 本标准适用于各种光学传递函数测量装置。2 引用标准 G B 4 3 1 5 . 1 光学传递函数术语符号 G B 4 3 1 5 . 2 光学传递函数测量导则3 测最装置的误差来源3 . 1 光学台的几何条件 光学台用于安放“ 测试图样” 、 “ 被测样品” 以及“ 像分析器” ， 使它们处于正确的几何关系下（ 即； 由 选择的成像状态来定义） 。为了满足正确的几何关系， 通常要靠导轨的直线性、 导轨之间的垂直度、 或被测样品相对于参考面之间的平行度以及角度标尺的准确度来保证。否则， 将导致对理想的成像状态的偏离， 引起光学传递函数的测量误差。 光学台几何参数对测量准确度的影响取决于所采用的测量布局， 下面所列为G B 4 3 1 5 . 2 所推荐的测量布局中的主要误差源及产生的 M T F 偏差。3 . 1 . 1 物和像均处于有限远 测试图样和像分析器的导轨必须垂直于“ 参考轴” 。 直线度和垂直度偏差将造成对理想像面的偏离，从而导致 MT F测量误差。 由像高以及物像距的装定所带来的误差也会对 MT F 测量产生影响。3 门 2 物处于无限远 此种状态下只有像方（ 或物方） 导轨相对于理想像面的偏离和像高或视场角的装定误差会对 M T F测量产生影响。 若使用准直物镜， 还存在物方无限远的调整误差。 若未使用准直物镜， 而是采用加长物距来近似无限远的情况 F ， 必须保证足够远的物距， 至少在镜头的5 0 倍焦距以上（ 除非特殊规定） 。否则， 将造成较大的MT F偏差。3 门. 3 物和像均处于无限远 此种状态下， 当改变像方视场角时， 像方准直管必须与像分析器连动， 并绕一个通过出瞳、 且垂直于参考轴的轴线旋转， 以保证像分析器与无焦系统之间不产生横向偏移， 从而不产生由于 厂 作焦点随像方角度改变而带来的 M T F 误差。 如果所采用的测量布局无法保证上述要求， 或者由于支撑无焦系统和像分析器的聚焦导轨自 身的国家技术监督局 1 9 9 2 一 1 1 一 0 4 批准1 9 9 3 一 0 8 一 0 1 实施免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t )免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册, 即可下载 c s / T 1 3 7 4 2 一9 2机械弯曲而造成它们之间相对关系的改变， 则将产生 M T F误差。 由于视场角的装定以及无限远物距的调整也会产生 MT F 偏差。3 . 1 . 4 像增强器以及其他屏幕成像系统 测量这类系统的一个通用的方法， 是在像和（ 或） 物平面内的每一个测试位置都重新调焦， 使测试目标调焦到物面或像面调焦到像分析器。 这样可以消除由机械误差引起的调焦误差。3 . 1 . 5 被测样品的安装 每次测量中， 由于被测样品的拿下和装上会导致测量结果的变化。主要影响是使像面产生倾斜（ 见图1 ) 。 倾斜角B 对 M T F造成的误差不容忽视， 0 角的大小应视对MT F测量准确度的要求， 推荐数据为0 砚3 X1 0 一 5 安装定位面 像方视*4轨一 ， ；， ”“分 ， 协被侧镜头、户七i法兰盆 一 丁 光轴 图 1 被测镜头安装时的 . 0 1 , 误差示意3 . 2 改变方位 在多数 O T F测量装置中， 都是通过旋转测试图样和像分析器来改变方位。 测试图样或像分析器在沿旋转轴方向产生的位移会造成焦点位置的改变， 由于焦点位置的改变而带来的MT F误差， 将由于测量布局的不同而异。3 . 3 物方图样和像方图样的定位对中 如果物方图样和像方图样为非圆对称， 则应重视它们的相对定位。其图样为垂直于扫描方向的狭缝。两者之间的（ 见图 2 ) 角位移a 将导致狭缝宽度的增大， 产生MT F误差。 对有些装置来说， 采用光栅和狭缝的组合产生周期目 标， 其空间频率可以通过改变光栅相对于狭缝的位置而变化。 空间频率误差来 自 光栅和狭缝的相对定位差。 这种情况下， 用户应自 行作出评价（ 见3 . 6空间频率误差） 。 一二 甘一 a 1l5r9i3lEl w 狭缝有 效宽 度二 w+ l s i n s 图 2 分析器狭缝 与测试图样之间的相对定位误差示意免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t )免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册, 即可下载 G B / T 1 3 7 4 2 一 9 23 . 4 修正因子 由于测量装置中存在着一些固有误差， 如： 目 标狭缝或像分析器狭缝的有限宽度、 非相干藕合的中继透镜的MT F ， 轴外测量时几何条件对空间频率的影响（ 见G B 4 3 1 5 . 幻等， 在MT F测量结果中 应使用修正因子。3 . 4 . 1 狭缝宽度的修正 MT F ( r ) =K ( r ) MT F ( r ) ” （ 1 ） 而 K ( r ) =7r r g / s i n x x r g“ （ 2 ）式中； g 物方的狭缝宽度， m m; K ( r ) 修正因子。 当狭缝宽度存在误差时， 将导致 MT F 误差。 A MT F ( r ） 一M T F ( r ) ( T rr d g / s i n 7r r g ) ( 1 一Tr r g / t g 7r r g ) （ 3）式中： g f 像方的狭缝宽度， M M;MT F （ 二 ） 修正前的实测值。3 . 4 . 2 对非相干藕合的中继透镜的MT F的修正 用于光电系统或器件的MT F装置中经常使用非相干藕合的中继透镜， 这些中继透镜的MT F的倒数作为 MT F 测量中的修正因子。中继透镜的MT F值的误差， 将导致被测系统 M T F的测量结果的误差。3 - 4 . 3 视场角的空间频率修正 当光栅测试图样位于准直物镜的焦面上并于准直物镜共轴时， 其轴外测量应对频率标尺进行修正。修正频率由下式得出： 子午方位二 二 r o c O S 2 w ” ” “ “ “ （ 4 ） 弧午方位r =r o c o s w “ “ “ “ “ 一 （ 5）式中： 二 。 一 轴上空间 频率， m m - l o ； 值的误差将由。 值的误差引起， 这些误差表示为： 子午方位d r = 2 r o s i n w c o s w d w” ” ” ” ” ， ” ” 一 （ 6 ） 弧午方位d r =r o s i n w d w ” ” ” ” ” ” （ 7 ）I5 调焦 调焦准确度取决于： 调焦技术、 调焦所选用的频率（ 低频的调焦准确度一般较低） 、 被测镜头的数值孔径、 被测镜头的MT F 数值以及与装置和测量布局有关的信噪比。 正常情况下， 调焦位置的不准确（ 一般在轴上） 只造成一定的MT F误差。但当存在着象散和场曲时， 将会导致轴外的较大误差。I6 空间频率误差 空间频率的误差来源为： 标定误差、 转换器或机械作用形成空间频率读数的非线性或零位偏移。 存在畸变时， 像方空间频率与物方空间 频率之间的相对关系会随像高变化。I7 中 继光学件的残余像差 在 M T F测量链中与被测系统相千藕合的任何光学系统（ 准直物镜和成像中继透镜等） 都不应存在影响MT F测量准确度的像差， 因为它们是无法修正的。 从已 知的中继透镜的残余像差精确估算误差影响， 必须同时了解被测系统的像差。 此外还需进行复杂的计算 。 如果测量一个与被测系统具有相同的数值孔径和光阑直径的衍射受限镜头， 从中获得由于中继透镜的残余像差而对MT F测量造成的误差， 也就代表了这一误差源对测量所造成的最大偏差。 这一误差值可以直接测量得出， 也可以从所测得的中 继透镜的残余像差中计算得出。 假如被测系统本身的像质较差， 采用上述方法将会过高地估算误差量。免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t )免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册, 即可下载 G B / T 1 3 7 4 2 一 9 23 . 8 光谱响应特性 对测量装置光谱响应特性的要求与实际值之间的不匹配将导致 M T F测量误差。这一误差量取决于被测系统的MT F对特定的不匹配状态的敏感性。 如果被测系统的设计数据和光谱不匹配的特性已知， 那么相应的 MT F误差应可通过复色光的MT F计算出来； 另外， 也可以使用窄带滤光片（ 见 3 . 4 ) 的MT F测量结果中估算出来。 由 于色差的存在， 即使是在MT F 值接近于零的频率处， 也会对MT F测量导致不可忽视的误差。 如测量一个光学系统， 其设计要求使用单色光， 但却未进行这色差校正， 或只进行了很少的校正， 此时仍可能造成MT F测量误差。 在此类测量中， 即使用一般的窄带滤光片也会增加指定波带以外的透射比的相对效应。3 . 9 测试图样的扩展 如果测试图样的边界条件不合格， 其横向宽度的增加或减少， 都将造成对 MT F测量的影响。物方图样和像方图样等扩展的限度与点扩散函数的尺寸有关。3 . 1 0 像分析器的角响应特性和信噪比 为了保证 MT F 测量结果的正确， 像分析器的角响应必须与被测系统的光束相适应。 频率特性的任何截断或非均匀衰减都将导致 M T F误差。 必须测量像分析器的方向（ 或极性） 响应， 并用 3 . 7 所描述的方法评价可能存在的误差。 同时， 像分析器应具有较高的信噪比， 以保证对低能量及高空间频率的被测系统 MT F测量的准确度 。3 . 1 1 目标发生器照明光束的方向 和发光特性 测试图样的照明光束应均匀地充满准直物镜的光阑。3 . 1 2 信号处理系统 测量装置信号处理系统的不完善及误差将导致 MT F 误差。可使用标准测试镜头或精密狭缝测量后估算出来。3 . 1 3 杂光 MT F测量不应受到室内照明等杂光的影响。4 测量装置误差的检验方法4 . 1 光学台的几何条件4 . 1 . 1 导轨的综合误差 由于支撑像分析器和测试图样的导轨存在着直线度、 非线性或俯仰等偏差， 造成对理想平面的偏离（ 见图 3 ) 。本标准推荐利用一个敏感的线位移传感器及参考平面对导轨的综合误差进行直接测量的方法， 测量布局见图 4 。把传感器安装在通常安放像分析器或测试图样单元的位置上， 使测量探头沿着光轴的方向， 将参考平面或直边平行于像或物面（ 即垂直于参考轴） 。 测量探头可以直接测量出参考平面或直边与像分析器或测试图样单元沿导轨移动时的距离之间的变化。 在测量中， 把垂直于光学系统法兰盘安装定位面的轴作为参考轴。 因此参考平面或直边应平行于法兰盘安装定位面。 这种测量方法可给出包括对参考轴的任何垂直角偏差在内的误差。免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t )免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册, 即可下载 G B / T 1 3 7 4 2 一9 2 ca) RAW*% (b ) 、1 ！ 一 、 、 、 镜头安 装定 位面 1 、 、视场导软 I、像面 （ C ） 一滋 分析 器潇 侧 镜头 焦导 执二卜闷二 t 俯仰 视场导执上 图 3 机械导轨的综合误差 ( a ） 直线性偏差; ( b ) 运动方向的非线性偏差 ( c ) 俯仰偏差免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t )免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册, 即可下载 G B / T 1 3 7 4 2 一 9 2 尸 ，线位移传感器 护 嘴 尸 r 、 、1，111卜 L J、 聚焦导执 、 份 一多 刃 个 回 成 且 班 像方 视场导 执一 一 一一 图 4 用线位移传感器对导轨的综合误差进行测量示意4 . 1 . 2 各工作面之间的平行度和（ 或） 相对于参考轴的垂直度 可利用自准直光管及平面镜来检查各工作面之间的平行度和（ 或） 与准直光束方向的垂直度（ 见图5 ) 。 此外， 测量装置上的准直物镜也可被用作自 准直光管来观察测试图样及其反射像。 参考平面 一价 图 5 两个参考面之间的平行度测量示意4 . 1 . 3 转角准确度 转角准确度的测量， 可采用自 准直光管连同安装在旋转部件上的精密光学多面体来进行； 或自 准直光管连同平面镜以及安装在旋转部件上的精密测角仪来完成。4 . 2 准直物镜对焦 检验准直光束的平行度偏差的办法很多， 如用标定过的测距计放在准直光束中直接测量物距L 。 或用自 准望远镜测量准直光束断面的角偏差， 计算得出L值。4 . 3 调焦 对特定的测量装置来说， 被测镜头的焦点定位准确度将取决于调焦技术、 调焦的准则、 被测镜头的F数、 被测镜头的MT F以及采用的测量结构（ 如： 准直物镜的焦距、 像分析器和测试图样的狭缝宽度、滤光片的光谱特性等） ， 因此， 对调焦准确度的估算因考虑上述这些变量相等还是近似。 调焦的随机误差可以通过多次直接测量相等或相似条件下调焦过程的焦点定位的标准差来表示。 调焦的系统误差最好是利用合适的标准镜头， 通过比较理论的、 以及实测的离焦MT F曲线和最佳焦点位置来确定， 如图6 所示。 两组曲线的两个最佳焦点之间的偏差即为调焦误差。 所得到的离焦曲线免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t )免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册, 即可下载 c B / T 1 3 7 4 2 一 9 2以及最佳焦点位置应该是若干次测量结果的平均值。 对不同的数值孔径下的测量结果进行比较， 以便得出不同测量条件下的系统调焦误差。 理论最佳焦点 实最佳糕 ： w理 论 离 焦 曲 线1 盆1 一瞻，尸 一一 一 一 调焦之 1 1 6 调焦系统误差的确定4 . 4 光谱特性 已知被测系统的设计值， 以及光谱特性的非匹配状态， 就可以从复色光的 MT F计算值中得出相应的M T F 误差。 或者利用一套已知其积分透过率的窄带单色滤光片。把这些滤光片依次放入( T F 装置的发射光路中， 测量其在零频时的信号绝对值。不同滤光片的信号的相对值采用积分透过率修正后， 即为整个测量装W : 的相对光谱响应值。 对于测量线扩散函数的装置， 其末归一化的 L S F曲线域对应于零频信号n4 . 5 测试图样和（ 或） 扫描的扩展 当物方图样、 像方图样或扫描的边界条件正确时， 其尺寸上的变化不应造成对 MT F测量的影响。测试图样等的最大和最小的允许尺寸与点扩散函数的最大尺寸有关。4 . 6 测量装w中的信 号 处理系统 这类误差可以 通过测量标准测试镜头、 衍射受限的小孔光学件或精密狭缝等完成。 如果使用标准镜头， 该标准镜头的参数应尽可能接近被测镜头的条件， 轴上测量应按规定的调焦条件在指定的频率上取 MT F峰值。 系统误差取多次测量（ 至少 8 次） 的平均值与 理论 M T F值的偏差。随机误差则取多次测量( 8 次以上） 的标准偏差。上述测里应在未重复调焦的条件下进行（ 相同的焦点） 。 精密狭缝特别适用于那些测量屏幕像（ 如像产生于 C R T显示器上或像增强器的输出面上） 的装粉的准确度评价。 若使用宽度为9的狭缝作为标准器具时， 其空间频谱为： s in ( 7 cr g ) / ( a r g ) “ ， ， 介 （ 8） 其系统误差和随机误差的确定与标准镜头的方法一样。4 7 像分析器的方 向响应 评价像分析器的方向响应特性的方法取决于它的工作方法。主光轴（ 通常即为光轴） 与主光线的一致性误差可以用带有合适的 F数的标准镜头来进行测量。轴外测量时， 像分析器的轴线与主光线不免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t )免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册, 即可下载 G s / T 1 3 7 4 2 一 9 2致， 仍可以 使用标准镜头。 然而， 除轴上测量情况不变以外， 轴外测量可模拟图7 说明的方法来进行。 把像分析器安装在精密旋转台上， 使像分析器狭缝精确地定位于旋转台的旋转轴上 ， 利用标准镜头进行的MT F 测量始终在轴上， 但是像分析器却在一定的角度范围内旋转（ 即： 测量装置所允许的最大视场角内） 。测量结果应与像分析器的角度无关， 任何随角度改变而产生的变化都可能表明像分析器存在方向响应误差。 像分析器 仪幸台 图 7 手用旋转台方法示意5 测量的总误差计算 MT F 测量的总误差应是所有随机误差的平方和的开方加上总系统误差的代数和， 并由下式计算： 乙 M T F ( g , ) “E M T F 十(3 M T F （ 9 ）其中E M T F - 8 M T F I T S M T F 2 I . . . . . . E M T F - E M T F I E M T F 2 十式中： & M T F . 各个随机误差源； E M T F . 各个系统误差源。 尽管通常情况下， 只有其中一个误差占主导地位， 但大多数给定的误差源中都包括随机和系统这两种误差成分。6 测量装置的准确度6 门标称准确度 标称准确度是建立在特殊衍射受限的理想镜头的理论特性基础上， 利用其对导致测量误差并引起MT F测值变化的装置参数的测量结果得出。 计算标称准确度时应该给出镜头的以下主要参数 ： a F数以及镜头焦距； b 波长 ； c 视场； d . 共扼方式； e 规定空间频率。 计算标称准确度时应考虑的装置误差来源如下： f 光学台的几何条件； 9 ， 方位变化；免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t )免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册, 即可下载 G B / r 1 3 7 4 2 一9 2 h . 测试图样以及像分析器的定位调整； 1 修正因子； J - 调焦误差； k 空向 频率误差； 1中继光学件的残余像差； m 像分析器的角响应特性； n . 测量装置信号处理系统。6 2 标准镜头测量 “ 标准镜头” 的制作应保证镜头本身的M T F值与理论的MT F计算值相吻合。 为了满足这一准确度要求， 这种镜头通常结构简单， 性能受到严格规定。 一般使用的 5 0 m m焦距的平凸标准镜头， 它将为O T F测量装置的准确度定