（光学工程专业论文）投影机镜头的mtf实时检测系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 m t f ( 调制传递函数) 是被认为目前评价光学系统成像质量客观、有效的方法，并 广泛地应用于光学系统设计的过程控制和光学成像系统的像质评价与检测中。但是长 期以来，投影显示设备的生产中缺少能够定量的检测投影镜头性能的标准化方法。结 合投影机投影物镜生产、检测的实际需要，本文研究和分析了一种基于图像分析方法 的投影机镜头m t f 实时检测系统。本系统使用c c d 作为成像接收器，通过分析单个像素 成像同时获得投影镜头子午和弧矢两个方向上的调制传递函数。 本文的第一部分比较全面的分析了光学传递函数的测试技术。介绍了目前光学传 函数测试技术研究的现状及发展，并分析了本系统所采用的测试技术。 本文的第二部分以d l p 投影机镜头为实验对象提出了一套投影机镜头m t f 实时测 试系统。阐述了整个测试系统的构造及理论框架。总结了在实际的研究过程遇到的问 题和困难，并给出了相应的解决方法。分析了离散信号的处理方法；解决了在频率域 的系统标定以及在频谱分析时常见的一些问题：进行了数据简化处理，根据傅立叶的 变换性质，把二维数据处理转为了一维数据处理。 本文的第三部分阐述了整个测试系统平台，包括硬件部分和软件部分。阐述了各 硬件的工作原理以及各软件模块的工作流程。 本文最后以d l p 投影镜头为实验对象，给出了实验的流程，全面分析了测试系统 的噪声，并根据实际情况提出了相应的解决方案。给出了采用本测试系统的实验结果， 并对实验结果进行了分析。还对本研究课题进行了工作的总结，并指出了新的工作方 向。 整个测试系统结构简单，方便快捷，很好的解决了投影机镜头m t f 检测的实际需 要，可以应用到实际的生产实践当中。 关键词：调制传递函数；投影显示；图像分析；空间频率 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m t f ( m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ) i sr e c o g n i z e da so n eo f m o s te f f e c t i v ea n d o b j e c t i v em e t h o d s t oe v a l u a t eo p t i c a li m a g i n gs y s t e m sa n di se x t e n s i v e l yu s e di nt h e p r o c e s sc o n t r o lo f t h eo p t i c a ls y s t e md e s i g na n dt h ei m a g i n gq u a l i t ye v a l u a t i o na n d d e t e c t i o no f t h eo p t i c a li m a 百n gs y s t e m b u tt h e r ei sn os t a n d a r dq u a n t i t a t i v em e t h o df o r t h em e a s u r e m e n to f p r o j e c t i o nl e n si nt h ep r o d u c t i o no f p r o j e c t i o nd i s p l a ys y s t e m b a s e d o nt h en e e do f t h ep r o d u c t i o na n dm e a s u r e m e n to f p r o j e c t i o nl e n s ，t h i st h e s i sa n a l y z e da r e a l t i m em t fm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do ni m a g ea n a l y s i sf o rp r o j e c t i o nl e n s t h e s y s t e mu s e sc c d a sa l li m a g er e c e i v e ra n dc a l la c q u i r et a n g e n t i a la n ds a g i t t a lm t fd a t aa t o n em e a s u r e ，a c c o r d i n gt oa n a l y z ea s i n g l ep i x e li m a g e f i r s t ，t h et h e s i sg e n e r a l l ya n a l y z e st h et e s tt e c h n o l o g yo f o t f ( o p t i c a lt r a n s f e r f u n c t i o n ) ，a n di n t r o d u c e st h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to f t h et e s tt e c h n o l o g yo f o t f i n a d d i t i o n ，t h em e t h o do f t h em e a s u r e m e n ts y s t e mi si n t r o d u c e d c o n s i d e r e dd l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r ) p r o j e e t i o nl e n sa se x p e r i m e n to b j e c t ，t h e s e c o n dp a s to f t h i st h e s i sp r o p o s e sar e a l t i m em t fm e a s u r e m e n ts y s t e m t h es t r u c t u r e a n dt h e o r e t i c a lm o d e lo f t h et e s ts y s t e ma r e e x p o u n d e d ，i na d d i t i o n ，i tm a k e sas u m m a r y o f t h ep r a c t i c a lp r o b l e m sa n dd i f f i c u l t i e so f t h i sr e s e a r c h t h ep r o c e s s i n gm e t h o d so f d i s c r e t e s i g n a la r ea n a l y z e d s y s t e mc a l i b r a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i na n dt h ec o m m o np r o b l e m so f s p e c t r u ma n a l y s i sa r er e s o l v e d a c c o r d i n gt oc h a r a c t e ro f f o u r i e rt r a n s f o r m ，t h ed a t a p r o c e s si ss i m p l i f i e d ，t r a n s f o r m i n gt w o d i m e n s i o n a ld a t at oo n e d i m e n s i o n a ld a t a t h et h i r dp a r to f t h et h e s i sc o n s t r u c t st h ew h o l ep l a t f o r mo f t h em e a s u r e m e n ts y s t e m ， i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ep r i n c i p l e so f h a r d w a r ea n dt h ep r o c e s so f t h e s o f t w a r em o d u l e sa r ce x p o u n d e d f i n a l l s ；t h et h e s i sp r e s e n t st h er e s u l t so fe x p e r i m e n t t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e r e s u l t sa n dh o wt oc o r r e c tt h en o i s ee f f e c ta r ea l s oa n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h ec o n c l u s i o na n d f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o na r eg i v e n s i m p l ys t m c t u r e d ，c o n v e n i e n t ，t h i ss y s t e mw e l l f i tt h ep r a c t i c a ln e e do fm t f i i 渐江大学硕士学位论文 m e a s u r e m e n to f p r o j e c t i o nl e n sa n dc a nb ea p p l i e di n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ；p r o j e c t i o nd i s p l a y , i m a g ea n a l y s i s ；s p a r t a 疗e q u e n c y i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 光学系统成像质量是评价一个成像系统优劣的关键因素。为了准确评价光学系统 的成像质量，人们提出了很多种方法，如：鉴别率检验，星点检验等。但是这些方法 又都有比较大的局限性，鉴别率检验反映的仅仅是光学系统的分辨率极限，并没有反 映在可分辨范围的整个像质状况，星点检验虽然能提供比较多的像质信息，但是它提 供的信息很难加以区分和定量处理。“1 而光学传递函数反映了光学系统的频率特性， 把物体看作是由各种频率的频谱组成的，它既与光学系统的像差有关，又与系统的衍 射效果有关，并且以一个函数的形式定量地表示星点所提供的大量像质信息，同时也 包括了鉴别率所表示的像质信息。因此光学传递函数被公认为目前评价光学系统成像 质量有效、客观、全面的方法。圆因此如何准确、快速、有效地获取光学系统的光学 传递函数的问题就成为了人们研究的对象。 本章主要介绍光学传递函数测试的意义、国内外的研究状况以及本论文的安排。 1 1 光学传递函数的基本概念 首先来简单讲解一下光学传递函数的基本概念，“1 这也是我们进行光学传递函数 测试的基础。首先我们假定一个光强度为正弦分布的物，如图1 - k a ) 所示，对于这个 分布，我们可以用一个余弦函数来表示： ，( 曲= i o + b c o s 2 # 劈 ( 1 1 ) 其中i 。是正弦物的平均光强；b 为正弦波的振幅，它表示交变光强的大小；f 为 空间频率，单位一般取为 线对毫米 。 为了表示正弦物的明暗反差的程度，定义m 为正弦物的调制度： m ：肄0 - 2 ) i m + i “ 由图卜1 ( a ) 可得： m：拿0-3) 厶 为了表示的方便，常将i 。归化为1 ，所以m = b 。 浙江大学硕士学位论文 则式子( 卜1 ) 可表示为： ，o ) = l + m c o s 2 z t f x ( 1 - 4 ) 由光学成像原理可知一个光强分布为正弦函数的物，经过光学成像系统以后得到 的像的光强分布仍然是同频率的正弦分布。但是由于光学系统的衍射和像差的影响， 会使像的调制度有所下降，相位也会有一定偏移。如图1 - 1 ( b ) 所示，其中实线表示 物的光强发分布，虚线表示像的光强分布，相对于物的光强分布，像光强分布中亮的 部分变暗了，暗的地方变亮了，同时相位也出现了a ( f ) 的偏移。 所以像的调制度m 可表示为： 肌糙 o - s ) m 相对于m 的下降程度取决于成像系统的衍射和像差的情况，对于同一个光学成像 系统，调制度是一个关于空间频率的函数。把像的调制度和物的调制度之比定义为： 吖n ：堕鲤 肘( 力 ( 1 甸 y ( 0 反应了光学系统传递各种频率正弦物的调制度的能力，我们称之为m i 可调制 传递函数) 。这个函数就是本论文要测试的数据，它直接反应了光学系统的成像质量。 m t f 的值在0 到1 之间，一般来讲m t f 的值是随着f 的增加而下降的，m t f 值越大 说明成像质量越好，当m t f 值下降到0 时，就意味着光学系统已不能透过高于这一 频率的调制信号，这个频率称为截止频率。 由图卜1 ( b ) 可知，像的光强分布还发生一定的相位偏移，所以像的光强分布，( | ) 应表示为： ，( 一) = l + r c o s 2 1 r f x 一口( ) 】( 1 - 0 因此我们讲到的光学传递函数应该分为两部分，一个是m t f ，一个是p t f ( 相位 传递函数) 。由于相位传递函数并不影响像的清晰度，所以我们一般只考虑调制传递 函数，而m t f 其实就是光学传递函数的模，下文讲到的光学传递函数一般也指的是 调制传递函数。 2 浙江大学硕士学位论文 图i - i 正弦物通过成像系统前后的强度分布对比 目前光学传递函数是像质评价最常用的方法，光学传递函数作为像质评价手段有 以下几个优点：“1 1 光学传递函数定量地反映了光学系统的孔径、光谱成分及像差的综合效果； 2 用光学传递函数来评价光学系统成像质量时，其可靠性仅仅依赖于光学系统对于线 性叠加和空间不变性的满足程度； 3 用光学传递函数来分析光学系统的物像问关系时，与物体的实际形式无关； 4 可以用不同方位的一维光学传递函数来分析处理光学系统，大大简化了二维处理； 5 光学传递函数可直接由设计参数算出，也可对实际光学系统进行测量，使其成像质 量与某些数据之间建立起直接联系。 1 2 国内外的研究情况 上个世纪四十年代以来，对光学传递函数的理论及测量技术已经有了大量的研 究，人们也提出了各种各样的测量方法。但是由于光学系统的传递函数测试仪引起误 差的因素太多，并且要求传递函数仪装置中各个组件的性能都必须严格保证或明确知 晓，所以以前对光学传递函数要求严格测试的部门相对集中在科研院所和军事领域。 随着先进光探测器件及机械工艺的提高，越来越多的使用者和生产者对光学传递函数 测试装置的研究工作也取得了很大进展。m 自1 9 5 5 年以来，陆续出现了许多测量m t f 的方法和仪器。就仪器而言，大致分 为两种：大型、多功能、高精度的实验室仪器：迅速简便、高功效的工厂性仪器。下面 分别介绍目前国内外光学传递函数测量仪的发展状况。 3 浙江大学硕士学位论文 1 国外的研究情况 德国o e g 公司较早就开始研发光学传递函数测试系统，目前又新推出一款多功能 的m t f 测量仪器- - o t s 5 0 0 ，嘲如图( 卜2 ) 所示。该仪器既可以测量光学系统的m t f 又可 以测量e f l ( 有效焦距) 、b l f ( 后焦距) 、中心错误等，并都有较高的精度。m t f 的测 量范围是o - 1 0 0 0 1 p m m ，重复性和精度为3 。 图i - 2 0 t s 5 0 0 m t f 测量仪 德国o e g 公司生产的视频m t f 测量仪v a r i a n t ，”如图( 1 - 3 ) 所示，可用于有限远 有限远及无限远有限远的光路的测量。m t f 测量是从刃边图像得出的，包括径向方 向和切向方向。刃边图像由样品和一个微物镜在c c d 芯片上成像。评估系统包括一个 图像采集卡和图像处理软件，它们可以对视频信号进行数字化处理和分析。m t f 精度 达到士0 0 2 ，重复性为士0 o l ，空间频率范围为1 0 0 0 1 p m m ，最大转轴角为士4 5 。 图1 - 3m t f 测量仪v a r i a n t 美国o p t i k o s 公司生产的t h eo p t i k o sq cb e n c h 能测量透镜的m t f ，e f l ，b f l 等等， 软件v i d e o m t f r 非常出色。锄测量仪器如图( 卜4 ) 所示。该仪器m t f 预q 量的正确率为 士0 0 4 ，重复度为士0 0 2 。 4 浙江大学硕士学位论文 图1 4 美国o p t i k o s 公司生产的m t f 测量仪 国外还有很多对光学传递函数测量技术的研究，”目前国外这些m t f 的测量仪 器大都是比较大型的，多功能的，价格相对比较昂贵，应用于普通的光学系统并不经 济，所以这些仪器在国内应用的并不多。 2 国内的研究情况 我国也于1 9 7 0 年在以长春光机学院为首的光学科技工作者开始了自己的光学传 递函数测量系统的研究工作。武汉测绘科技大学电机学院刘明华等人于1 9 9 7 年研制开 发了以c c d 为接收器的新型o t f 测量系统。嘲该系统的特点是以精密的刀口为目标物， 在物方作高精度扫描，直接以c c d 器件作为光电变换器件，并兼作采样狭缝，对刀口 扩展函数进行高精度、高分辨率的自动扫描采样，同时配以微机技术，以数字傅里叶 分析法测得光学系统的o t f 。该系统测量h t f 的重复性小于o 0 2 ，确定度小于o 0 2 。 中国科学院西安光学精密机械研究所杨红等人，通过像分析的方法研制大口径长焦距 物镜光学传递函数测量仪。忉 3 m t f 蒋! i j 量仪的发展趋势 目前研制0 r r f m t f 仪器的理论基础已经相当成熟了。主要的设计重点都放在了如 何更好的与日益发展的计算机技术的结合，并结合不断发展的光电转换传感器件和图 像采集器件，以及相应的图像处理技术，使得测量的图像数据更完整地被处理分析， 更准确迅速地显示出来，以及如何使装置更加精巧，测量范围更加广泛i 达到更高的 精度。嘲 还有就是针对特定光学系统的专用型m t f 测试仪将会得到长足发展。这类测试仪 浙江大学硕士学位论文 要求测试速度快，结构简单。 1 3 投影机光学系统成像特性简介 1 、l c d 投影系统 l c d 液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用液晶的电光效 应，通过电路控制液晶单元的透射率，从而影响它的光学性质，产生不同灰度层次及 色彩的图像。“”l c d 投影机以体积小、重量轻、操作简单、成本低等优点，占据着 投影市场的半壁江山。 利用液晶板来调制光源发射出来准备投影到屏幕上的光信号，为了能准确投射出 图像的色彩，常将光源分离成r 、g 、b 三色分别加以控制，再将r 、g 、b 三色图像合 并成要投影的图像，然后利用投影镜头投影到屏幕上。一般液晶投影机可分为光源、 光学引擎、液晶模块及电子电路等部分。“”光源为液晶投影机的光发生器，包含灯炮、 反射罩、光源驱动电路；光学引擎是整个光学系统组合，其相应的技术包含高效率光 源光束整形模块、分合色系统、投影镜头及系统整合等；液晶模块是控制投影机显示 图像的器件，透过对r 、g 、b 三色的调制，可产生全彩色的投影图像；而电子电路部 分则是将输入的电子图像信息加以处理，将欲显示的色彩信息传输给l c d 。 按照液晶板的片数，l c d 投影机可分为单片式和三片式，目前市场上最常见的是 三片式液晶板投影机。图( 卜5 ) 给出了三片式液晶投影机工作示意图，光源发出的白 光，首先以4 5 。角入射到一个反射镜上，经反射后通过一个聚光镜汇聚。汇聚光经 过第一个双色镜分成两束光路，该双色镜只允许蓝色光线通过，其它的光被反射，所 以反射光线是没有蓝色的白光即黄色的光。蓝色的光经过进一步的反射通过蓝色液晶 板，所谓蓝色液晶板主要是用来控制图像的蓝色，通过发送指令控制哪些部分允许通 过蓝色光线，哪些部分不允许通过；黄色的光遇到第二个双色镜，该双色镜只允许红 光通过，反射绿色光，这样光源发出的白光就被分成了红、绿、蓝三基色。红光和绿 光经过和蓝光一样的处理过程到达精确的位置穿过液晶体，这时的每一个液晶体类似 于光阀门，控制着每一个液晶体中光线的通过与否以及通过光线的多少。这样红、绿、 蓝三基色经过镜头准确地投射到屏幕上，显现了与原图像一致的图像。液晶面板被分 隔成一个个小的矩形单元，这些矩形单元的数目就决定了投影机的物理分辨率，通过 控制每个单元的透过率，这样就可以投影一幅不同灰度分布的图像7 。 6 浙江大学硕士学位论文 图1 - 5 三片式l c d 液晶投影机的工作原理示意图 2 、d l p 投影系统 d l p ( d i g i t a lr i g h tp r o c e s s o r ) 是德州仪器公司发展的微显示技术。“”d l p 投影技 术实现了数字信息显示，是目前惟一的全数字投影技术。它的核心器件是d m d ( d i g i t a lm i c r o - m i r r o rd e v i c e ) 数字微反射器芯片，这是一种二进制脉宽调制的数字 光开关，是d l p 投影机的成像器件。 一片d m d 是由许多个微小的矩形反射镜片( 简称“微镜”) 按行列紧密排列在 一起贴在一块硅晶片的电子节点上组成的，如图( i - 6 ) 所示。一片“微镜”对应着生 成图像的一个像素，因此d m d 装置的“微镜”数目决定了一台d l p 投影机的物理分 辨率，例如一块用于显示x g a 视频图像的d m d 芯片，它的“微镜”就是1 0 2 4 x 7 6 8 个 7 浙江大学硕士学位论文 图l - 6 显微镜下d m d 芯片结构 每个“微镜”都有独立的驱动电极、支撑柱、转向轴，形成电路层、驱动层、反 射层等三个实体层。“”每一片“微镜”都能转动两个方向，电极在电压驱动下，“微 镜”可以进行正负1 0 。的倾斜，当“微镜”处于+ 1 0 。的状态时，对应着信号的开， 将光线反射到投影镜头，并聚焦于屏幕上形成图像；当“微镜”处于一1 0 。的状态时， 对应着信号的关，将光线反射到光吸收器而无法投射光线。基于这些“微镜”，d l p 面板便可以显示出完整的投影图像，如图( 卜7 ) 所示。 图l 7 d m d 光开关原理 d l p 是属于反射式技术，其成像原理是由“微镜”的转动控制调制光的反射方 向，即控制该点信号的通断，然后通过透镜投射到屏幕上。根据d m d 芯片的数量， d l p 投影机分为单片、双片和三片式。目前的d l p 投影仪产品大都是单芯片系统， 它主要应用在便携式投影产品上，适用于商务和普通教学用户以及一些需要随身携带 投影机的用户。而三芯片d l p 投影系统主要用于大屏幕工业投影仪和数字影院等对 亮度输出要求很高的投影仪【1 5 1 。 8 浙江大学硕士学位论文 图i - 8 单片式d l p 投影系统 如图( 1 - 8 ) 所示，单片式d l p 投影系统主要由光源、色轮、冷却系统和一片d m d 组成。色轮是由一个红、绿、蓝三色块组成，来产生全彩色投影图像。由光源发出的 白光通过聚焦透镜聚焦在旋转着的色轮上，通过色轮的三色光线，经均匀化后交替成 像在d m d 的表面。例如彩色轮以6 0 h z 的频率旋转，则每秒将给出1 8 0 个彩色场。在此结 构中，d l p i 作在顺序彩色模式。输入信号分解成r g b 数据，数据顺序地写到d 如。用一 个聚光系统将白光源聚焦到彩色轮上，光穿过彩色轮，在d m d 表面形成图像。当彩色轮 旋转时，红、绿、蓝光依次投射到咖上。彩色轮与视频信号是同步的，例如当一个瞬 间红光射到d ，“微镜”根据要显示的红光信息( 何处显示、显示多强的红光) 来转 动到“开”状态，绿光和蓝光也是如此。d m d 表面形成的图像，利用投影机镜头投到大 屏幕上，形成由矩形像素组成的数字投影图像。人的视觉系统把红、绿、蓝三种颜色 信息综合，形成完整的彩色图像。 除了传统的三段式色轮外，其它分段方式的色轮技术也已经被提出并应用到投影 显式系统中。如图( 1 - 9 ) 所示的六段色轮，该六段色轮是由r g b r g b 共6 段颜色组成的 色轮。所以在色轮旋转速度相同的情况下，每一转给出的颜色信息就更多了，也即单 位时间内处理画面更多，视频动态效果更好，图象的色彩更丰富、更艳丽。因此，这 种设计有效地减少了运动图象和边缘的彩虹效应。 9 浙江大学硕士学位论文 图i - 9r g b r g b 六段色轮 基于d m d 的数字投影系统是要把常规的视频信号转换为全数字光信号，其采用的 数字光处理技术的基本工作原理是脉冲宽度调制。“”在每一帧的时间内，某一像素处 于两种状态的占空比决定了该像素的灰阶。也就是说，灰阶是由入射光的二元脉冲宽 度调制实现的，一般灰度阶数为2 。( 2 5 6 ) 。对于8 b i t 的灰度数据来说，在一帧时间内分 成t o ，t 。，t 。，t ，8 个时间段。每个时间段所对应的时间长度分别为 1 2 5 6 ，2 2 5 6 ，4 2 5 6 ，6 4 2 5 6 ，1 2 8 2 5 6 个一帧时间。也就是说要使图像的某个像素 的灰度值为1 ，则该像素点微镜需在一帧时间内仅在t 。时间段内开启，而在t 。至t t 时间 段内都要关闭；又若要使某个像素的灰度值为1 0 0 ，则像素点微镜需在t z ，t s ，t 6 时间 段内开启，而在其他时间段内都要关闭，以此类推就可以得到0 - 2 5 5 的灰度图像。 目前，l c d 投影系统和d l p 投影系统占据着绝大多数市场份额。因此我们也主要针 对这两种系统进行分析。这两种投影显示方式的成像像素也都是矩形的，因此采用本 系统来测试这两种投影镜头只有一些细节上的区别，因此只要选用一个系统即可。本 论论文以d l p 投影系统为实验对象来展开分析，对于l c d 投影系统，测试系统结构不需 要有任何改变，只要在数据处理时稍加改变就可以了。本测试系统软件也给出了l c d 投影镜头检测的数据处理，在测试之前只要选择一种投影系统即可。目前市场上除了 l c d 投影系统和d l p 投影系统以外，l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 投影技术、g l v ( c - r a t i n g l i g h t v a l v e ) 投影技术也在研究和发展中。这些投影技术的像素都是矩形的， 因此运用本论文阐述的测试方法对这些投影镜头的m t f 的检测都是适应的。 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 4 本课题的提出 投影机镜头是影响投影显示系统的成像质量的关键部件，因此定量的测量投影镜 头的光学传递函数具有相当重要的意义。在投影机生产实践中，实时检测投影机上投 影镜头的成像质量是一项困难的任务。目前大多数检验投影机镜头m t f 的方法还是通 过鉴别率板成像，再去用肉眼来分辨不同线对下的m t f 值，显然这种方法存在很大的 主观性，得到的测量结果也很不准确。虽然目前已经有一些m t f 测量系统了，但是大 多是针对单个镜头的，对于已经安装在投影机上的镜头无法做到实时检测。此外，这 些仪器结构复杂，价格昂贵，而且通常只能在物距无穷大的条件下测量光学系统，无 法满足物距和像距有限的投影机投影物镜的测量要求“。为了解决这种现状，本文研 究和分析了一种基于图像分析方法的投影机镜头m t f 实时检测系统。本系统使用c c d 作为成像接收器，通过分析单个像素成像同时获得投影镜头予午和弧矢两个方向上的 调制传递函数。目前，其他m t f 测试系统都得把投影机从投影机上拆下来专门检测， 而且一般都无法对投影镜头不同视场的m t f 进行检测，而本系统测试过程中并不需要 把投影镜头从投影机上拆下来，我们把投影机的一个像素作为物方，在成像面的不同 视场位置直接来分析计算投影镜头在该位置的m t f ，因此本系统是一个实时测试系 统。 本文采用d l p 投影机作为实验的对象，根据d l p 投影机中d m d 产生的每个像素都 是规则矩形的特点，采用基于图像分析的m t f 测试方法。使用c c d 直接在投影面上采 集由d i t q ) 芯片产生的一个像素的图像，再采用基于图像的数学傅立叶变换分析方法来 得到投影镜头的m t f 值。该系统结构简单，直接利用现成的投影机，不需要其他中间 辅助系统，不会在检测过程中带来其他系统误差，整个采集过程实时、方便、快速， 可以直接应用到投影系统的检验和生产实践中 1 5 本论文的安排 本文研究和分析了一种基于图像分析方法的投影机镜头m t f 实时检测系统。论文 的主要安排如下： 第一章介绍 t m t f 的基本概念，m t f 测试技术的国内外研究状况，投影显示系统的 浙江大学硕士学位论文 成像特性，并根据投影系统m t f 测试的现状，提出了本课题研究。 第二章比较全面分析了现有的各种m t f 测试技术，并给出了本系统的测试方法。 第三章给出了本系统的测试原理，以d l p 投影机镜头为实验对象提出了一套投影 机镜头的m t f 实时测试系统。总结了在实际研究过程中遇到的问题和困难，并给出了 相应的解决方法。分析了离散信号的处理方法；解决了在频率域的系统标定以及在频 谱分析时常见的一些问题；进行了数据简化处理，根据傅立叶变换性质，把二维数据 处理转为了一维数据处理。 第四章阐述了整个测试系统的平台，包括硬件部分和软件部分。阐述了各硬件的 工作原理以及各软件模块的工作流程。 第五章以d l p 投影镜头为实验对象，给出了采用本测试系统的实验结果，并对实 验结果进行了分析。全面分析了测试系统的噪声，并根据实际情况提出了相应的解决 方案。 第六章对本研究课题工作进行了总结，并指出了新的工作方向。 参考文献 【1 庄松林，钱振邦光学传递函数r m 北京：机械工业出版社，1 9 8 1p p ：卜l o 2 樊翔，倪旭翔光学传递函数测试仪的现状和发展趋势 j 】光学仪器，2 0 0 3 ，2 5 ( 5 ) ：4 8 5 2 【3 】h t t p ：w w w o e 2 - m e s s t e c h n i k d e 【4 】w w w o p t i c a l t e s c o m f f o e g m t f - v a r i a n t h t m 【5 】w w w o p t i k o s c o m 6 周杰，邱胜根，刘旭等应用c c d 的投影物镜调制传递函数测量系统 j 】光学学 报，2 0 0 4 ，2 4 ( 2 ) ：2 6 0 2 6 3 7 马卫红基于图像分析的光学传递函数测试技术的研究 d 中国科学院研究生院博士学位论 文，2 0 0 5 8 刘明华，何平安，余模智一种以c c d 为接受器的新型o t f 测量系统 j 仪器仪表学报， 1 9 9 7 ，1 8 ( 6 ) ：6 2 9 6 3 2 9 a l o nw a l t e r , s h i m s h o nl a s h a n s k y a ni m p r o v e dm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h em t fo f a no p t i c a l 浙江大学硕士学位论文 s y s t e m p r o c c e e d i n g so f s p m j 0 0 6 ( 6 0 6 8 ) 1 0 a 埘s 叫l el a w , v i n c e n td e s p r i n g r e ，c l u i s t o p h ev a l o r g e ，a u t o m a t i cm t f m e a s u r e m e n tt h r o u g h al e a s ts q u a r em e t h o d p r o c c e e d i n g so f s p i e , 2 0 0 4 ( 5 5 7 0 ) ：p p 2 3 3 2 4 4 1 1 j o n gs u ps o n g ，y u aw o ol e e ，h o iy o t ml e e m t fm e m a i 枷f o ro p t i c a le n g i n eo f c r t p r o j 幽h d t v j p r o c e e d i n g so f s p i e , 2 0 0 3 ( 5 0 0 2 ) ：p p 1 3 2 1 4 3 1 2 j o n gs u ps o n g , y t mw o ol e e h y u nm oc h o p o l y c h r o m a f i cm o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n a n a l y s i s o f c o l o r l c d p r o c e e d i n g s o f s p i e , 2 0 0 2 ( 4 9 2 7 ) ：p p 4 0 4 - 4 1 2 1 3 】s a m p s e l ljb a no v e r v i e wo f t e x a si n s t r u m e n t sd i g i t a lm i c r o m i r r o rd e 们( d m d ) a n di t s a p p l i c a t i o nt op r o j e c t i o nd i s p l a y s 们s y m p o s i u md i g e s to f t c c h p a p e b 1 9 9 3 , 2 4 ：p p 1 0 1 2 1 0 1 5 1 4 邹静娴，吴荣治数字微镜器件( d m d ) 液晶与显示，2 0 0 6 ( 1 2 ) ，1 8 ( 6 ) ：p p 4 4 5 4 4 7 1 5 胡庭彪，数字光处理器投影显示技术简介及应用，电力系统通信，2 0 0 3 年第1 1 期，p p 3 2 - 3 4 ： 1 6 】曹益平，苏显渝，陈文静数字微镜器件的时空特性对相位测量轮廓术的影响光学技 术，2 0 0 4 ( 3 ) ，3 0 ( 2 ) ：p p 1 5 7 - 1 5 9 1 7 胡坚d l p 和l c i ) 投影机对比分析微计算机信息，2 0 0 5 ( 2 1 ) ，1 1 ( 2 ) ：p p 1 4 1 1 4 3 1 8 熊静懿，贺银波，曾广杰等，液晶投影显示技术发展现状，光学仪器，2 0 0 1 ，2 3 ( 4 ) ，p p 3 7 - 4 8 浙江大学硕士学位论文 第二章m t f 测量技术综述 2 1m t f 测量技术的理论基础 2 。1 。1 成像系统的普遍模型 般的成像系统都可以由图( 2 1 ) 来表示。【1 l 般的光学成像系统都可以看作是一 个线性和空间不变系统。所谓线性系统是指能够满足叠加原理的系统。即系统输入n 个激励函数，则系统就输出n 个响应函数；如果把n 个激励函数相叠加后输入到系 统中，由系统产生的输出则是与之相应的n 个响应函数的叠加。而空间不变性是指 物面上不同的物点在像面上有相同形状的光能分布。虽然光学系统在不同视场会有不 同的像差，但对经过像差校正的光学系统，像差随视场的变化是缓慢的，像面上总可 以划出许多称为“等晕区”的小区域，在每个等晕区内光学系统都可看作空间不变系 统。对于相干成像系统，像的复振幅分布是各个像斑复振幅分布的线性叠加，对于非 相干成像系统，像的强度分布是各个像斑强度分布的线性叠加。目前绝大多数成像系 统还是非相干成像系统，所以在这里只讨论非相干成像系统。 图2 - ! 成像系统的典型结构 由图( 2 1 ) - i 知，可以把成像系统看成一个整体而不需要计较系统内部的结构和工 作情况。把成像系统看成是一个黑匣子，它的输入和输出的关系完全表征了光学系统 的特征。系统的输入为o ( r ) ，可以是一维、二维或三维分布函数，代表被成像物体； 系统的输出是i ( r ) 。代表得到的图像。将通信系统的线性理论引入到光学系统中，可 1 4 浙江大学硕士学位论文 将光学成像描述为： 2 1 f ( r ) = d ( r ) + ( ，) ( 2 一1 ) 是卷积符号，h ( r ) 是系统对信号输入o ( r ) 的响应，表征了系统的性能。 2 1 2 点扩展函数和线扩展函数 根据线性不变性原理，可知像的强度分布是各个像斑强度分布的线性叠加，那么 首先来看一下一个点物的成像情况。一个理想点物的光场可以用万( 算，y ) 来表示，这一 输入函数经过成像系统的作用后，在像平面上产生的输出函数 ( 工，y 。) 就成为点扩展 函数( p s f ) 。点扩展函数是研究光学传递函数的基础，该函数反映了成像系统的衍 射效应( 系统的入瞳或出瞳对光束限制产生的衍射) 。对于有像差的成像系统，这个 函数则反映了系统的衍射和像差的共同效应。 点扩展函数除了与像面坐标l ，y 有关以外，还与物方坐标x ，y 有关，所以点 扩展函数应该写成h ( x ，y ，一，) 。而在空间不变系统中，我们就可以把点扩展函数写 成 一一x ，) ，一y ) ，这样就可以方便地进行分析。 对于非相关成像系统，假设物面上的光强分布为d 瓴力。根据成像系统的线性叠 加性，物体光强分布可以由一系列点物组成，所以d ( x ，力) 可以表示为一系列代表点 物光强分布的6 函数的线性组合： 。( x , y ) - - 。 ，7 ) 占 一善，y 一刁) d 影，7 ( 2 - 2 ) 根据成像系统的线性性质，像面上的光强分布g “，y ) 就是与各个6 函数相对应 的点扩展函数的线性组合： g ( x 。，y ) = ee 口g ，r d ( 一参，一叩) d 舅玎( 2 - 3 ) 由( 2 3 ) 式得： g ( f ，y ) = d ( 1 ，y ) ( f ，y ) ( 2 - 4 ) d “，y 。) 为物的几何光学像的强度分布函数，式( 2 4 ) 与式子( 2 - 1 ) 有相同的形式， 这也正是因为我们把光学系统看成一个线性和空间不变系统的必然结果。有了这样的 浙江大学硕士学位论文 形式，就可以引入信号与系统的理论在频域内分析和计算系统的光学传递函数了。 点扩展函数无疑是表征成像系统最有用的特征，但在实际侧量中得到理想的点光 源比较困难，而且二维光学传递函数的计算也很麻烦。因此经常讨论成像系统对线光 源的响应，即线扩展函数( l s f ) 及其一维光学传递函数。根据系统的线性叠加理论， 线光源 l s f ( 力= i ( 工，y ) 咖( 2 - 5 ) 根据傅立叶变换的卷积原理可得一维光学传递函数为： 日( “) = 广l s f ( x ) e 唯一出 ( 2 妨 2 1 3 光学传递函数的计算 对( 2 _ 4 ) 式两边进行傅立叶变换可得： g ( u ，v ) = 0 ，v ) h ， ( 2 7 ) 这里l l ，v 是频域中沿两个坐标方向的空间频率。h ( u ，v ) 就是我们要求得的光学 传递函数，它反应了光学系统对各种频率分量的传递能力。 式子( 2 7 ) 表示的意义是：一个任意的非相干的光强分布“五y ) ，可以看作是各种 空间频率的余弦光强度分布的组合。每个o ( u ，v ) 称为物面分布函数o ( x ，y ) 中频率为 ( 1 l ，v ) 的谱。光学系统对o ( x ，力的成像过程就是将d o ，力中的每个余弦分量o ( u ，乘上 一个相应的因子日( “，v ) ，构成了像面分布函数g “，y ) 的谱g ( u ，力。这样就把空间域 的问题转化到了频率域上来了，表面上好像使问题变得复杂了，但事实上，一个物体 的光强分布总是可以用傅里叶变换把它看成无数多个不同频率的正弦物的合成。在第 一章中我们已经讲到正弦物的的像还是正弦分布的，所以物体通过成像系统发生的变 化就是各个频率的频谱的振幅和相位发生了变化。川光学传递函数引入作为成像质 量评价的标准之一，很大原因就在于它引入了频谱分析方法，把分析的领域从空间域 转到了频谱域。这样就可以很方便的利用电学上的频谱分析方法了。 1 6 浙江大学硕士学位论文 2 1 4 光学传递函数与光瞳函数的关系 如图( 2 1 ) 所示，一个单色点光源在出射光瞳处形成的复振幅分布，特征地表示了 光学系统的性质，我们称之为光瞳函数。光瞳函数一般可表示为：【3 】 如加傺咖娜4 未螽器 其中a ( x ，力为系数，当光学系统无振幅调制时，a ( x ，y ) = l ，c o ( x ，力为波像差。 当物方为理想点物时，o ( u ，v ) = l ，则由式子( 2 7 ) 可知二维光学传递函数是点扩 散函数的傅立叶变换。传递函数h ( u ，订可表示为： 日( “，v ) = ee 似力e x p ( - 2 ，r i ( x u + y v ) ) d x d y ( 2 - 9 ) 式子( 2 - 9 ) 是以像面实际坐标及实际空间频率来表示的，但是光学传递函数的 计算很多时候是通过光瞳函数来进行的，而光瞳函数在应用正则坐标时【3 1 ，才与像面振 幅分布互为傅里叶变换，所以可进一步用正则坐标来表示上述关系。 在正则坐标下式子(