（光学工程专业论文）基于cmos传感器的全视场mtf测量系统的研究.pdf

浙江大学碗士学位论文 致谢 本论文的研究工作是在我的导师陆祖康教授的悉心指导下完成的，我的每一点 进步、每一份收获无不倾注着导师的心血。陆老师平易近人的态度、渊博的知识、 丰富的科研经验、精辟的学术见解、严谨的治学作风、对学科发展的敏锐洞察力和 大胆的创新精神将永远是我学习的榜样。在短短的两年半时间里，我在陆老师的指 导下学到了很多知识，掌握了很多分析问题和解决问题的方法，完成了一定的工作： 但我觉得最可贵的是陆老师培养了我对研究与开发工作的兴趣，这将使我受益终身。 谨此，在完成论文之际，我谨向导师表示最衷心的感谢和最真诚的敬意，感谢他几 年来对我的关怀与教诲。 衷心感谢林斌副教授、徐向东教授、吴碧珍高级工程师在课题工作中对我的各 种帮助和支持，在他们的谆谆教导和亲切关怀下，使我顺利的完成了课题工作。 特别感谢倪旭翔副教授、王立强博士、汪林峰硕士、黄玲硕士、陈伟硕士等的 帮助和支持。 最后我要感激我的父母和家人，感谢他们对我工作学习的理解与支持以及生活 上无微不至的关怀。 闻人青青 二零零二年二月于求是园 浙i l 大学城士学仲论屯 论文摘要 本论文以傅立叶光学为依据，详细讨论了一种利用c m o s 成像对镜头成像质量 进行快速评价的系统。以刀口作为目标物，以c m o s 作为图像分析器件，从图像中 获取刀口函数，经微分和f f t 运算，得到成像镜头的m t f ( 调制传递函数) ，从而 得知其成像品质。对于不同焦距的镜头，采用对焦的方法实现自动测量。丈章还进 一步讨论了提高测量精度的方法。 本论文具体介绍了该测量系统的硬件及软件组成。硬件组成系统主要包括光源、 图像传感器、图像卡、r s 2 3 2 接v i 和电机驱动电路四个部分。软件组成系统主要包 括视频图像处理、r s 2 3 2 通信和电机驱动的嵌入式程序。最后通过了系列实验结 果，并对测量系统的性能和精度进行了探讨。 本论文对系统以后的改进也作了一些讨论。 关键词m 苻_ c h 淼、f f 丰_ 爵焦、图像施 q 塑翌叁兰竺! 兰笪堡兰 一 一 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r a s y s t e mu s i n gc m o si m a g i n gt e c h n i q u e i s p r o p o s e dt o e v a l u a t e q u i c k l yt h ei m a g i n gq u a l i t yo f l e n so nt h eb a s i so ff o u r i e ro p t i c sb yu s i n gk n i f ee d g ea s o b j e c t ，a n dc m o s s e n s o ra sd e v i c ef o ri m a g ea n a l y z i n g ，w eg e te d g es p r e a df u n c t i o n f r o mt h ei m a g ea n du s ed i f f e r e n t i a lo p e r a t i o na n df f tt oo b t a i n m o d u l a t i o nt r a n s f e r f u n c t i o no ft h el e n s ，t h e ni t si m a g eq u a l i t yi sk n o w n f o r d i f f e r e n tf o c u sl e n s e s ，w er e a l i z e a u t o 。m e a s u r i n gb yf o c u s i n g t h em e t h o d st oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fm e a s u r e m e n ta r e a l s od i s c u s s e d t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo f t h ep r o p o s e ds y s t e ma r ee x p a t i a t e d t h eh a r d w a r e m a i n l yi n c l u d e sl i g h t 、i m a g es e n s o r 、i m a g e c a r d 、r s 2 3 2i n t e r f a c ea n dt h ed r i v i n gc i r c u i t s o ft h es t e p p i n gm o t o et h es o f t w a r ec o n s i s t so fv i d e oa n di m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e 、 r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea n dt h ee m b e d d e ds o f t w a r ef o rd r i v i n gt h es t e p p i n gm o t o r t h ef u n c t i o n a l i t ya n dp r e c i s i o no f t h es y s t e ma r ed i s c u s s e do nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h e p a p e ra l s ob r i e f sh o w t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o f t l 他p r o p o s e dt e s t i n gs y s t e m i nt h e6 l t t l a r e k e yw o r d s ：m t ec m o s ，f f t , f o c u s ，i m a g ep r o c e s s i n g 浙n 、学衄上学位论文 引言 现代人类生活中，人们迫切需硬获取各种信息，而人类获取的总信息量的8 0 以h 是通过视觉器官得到的。所以，图像，特别是实时图像( 即视频图像) 的各 种获取方法、处理技术、传输手段等也越来越受人瞩目而图像的摄取都要跟光学 镜头有直接联系，因此光学系统成像质量决定了摄取图像的真实性，即信息的不失 真性。 近代光学理论的发展，证明了光学系统可以有效的看作一个空间频率的滤波器， 而它的成像特性和像质评价则可以用物像之间的频率之比来表示。光学系统的这个 频率对比特性就是光学传递函数( o p t i c a l t r a n s f e rf u n c t i o n ) ，简称o t f ，它的模量称为 调制传递函数( m o d u l a t i o n t r a n s f e rf u n o t i o n ) ，简称m t f 。光学系统成像质量的评价， 一直是应用光学领域中众所瞩目的问题。所谓成像质量，主要是像与物之间在不考 虑放大倍率情况下的强度和色度的空间分布一致性。 在几何光学中是以点光源作为物的“基元”，并用几何像差来描述光线经过光学 系统之后的空间分布。几何像差虽然反映了光学系统的某些成像品质，但是用几个 简单的像差数据来表示实际成像效果是十分困难的，而且从本质上说，它忽视了光 的不可避免的衍射。常用的鉴别率分析虽然能反映光学系统的分辨极限，但并没有 反映出在可分辨范围内的整个像质状况( 用光学传递函数的概念来说，鉴别率不能 完善的反映不同空间频率时物像之间对比度的变化) 。也就是说，鉴别率虽然能定量 的反映出一些成像特性，但它所提供的质量信息却太少了。星点检验悬观察光学系 统在像差和衍射综合影响下的像面光能量分布状况，这虽然较全面的反映可成像质 量，但由于这种观察一下予提供了太多的质量信息而很难加以区分和定量处理。 光学传递函数反映了光学成像系统传递信息的频率特性。它取决于光学系统的 衍射和像差情况，并且以一个函数形式定量的表示出了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。 光学传递函数的重耍性和优点可以归纳为： ( 1 ) 定量反映了光学系统的孔径、光谱成分以及像差大小所引起的综合效果。 ( 2 ) 用光学传递函数来讨论光学系统时，其可靠性仅仅依赖于光学系统对于线性 和空间不变性的满足程度。 ( 3 ) 用光学传递函数来分析讨论物像之间的关系时，不受实验物形式的任何限 浙江大学坝士学位论吨 制。 ( 4 ) 卅以用择个不同方位的维光学传递函数来分析处理光学系统，大大简化了 二二维处理。 ( 5 ) 光学传递函数可以根据设计结果直接计算，也能对己制成的光学系统进行测 量。它的物理意义明确，可以使光学系统的实际成像效果与某些数据之间建 立直接的联系。 经过多年的实践，用光学传递函数来评价光学系统的成像质量，己广泛的应用 于像质评价、光学设计、光学信息处理等各个方面。同时人们也提出了许多测定m t f 的方法，设计了许多测量装置，如英国e a l i n g & b e c k 公司的e r o s 系列、德国o e g 公 司的u n i l e n s 系列等。 下面，本论文主要研究种应用于1 2 英寸以下的c c d 或c m o s 成像器件的全 视场m t f 测量系统，该系统能准确、快速、方便的测量镜头的m t f 值，适用于在 线检测。论文主要由六部分组成。 l 、m t f 测量的原理 2 、提高测量精度的方法 3 、系统的硬件组成及具体实现 4 、系统的软件设计及具体实现 5 、测量结果与误差分析 6 、总结与展望 浙江人学6 1 土学位论文 第一章m t f 测量的原理 1 1m t f 的基本概念 由于光学传递函数的测量原理都是直接依据定义的，所以只有充分理解，定义 的物理意义才能对测量原理有正确的理解。 1 1 1 光学系统成像和点扩散函数 光学传递函数的特点是把物面的光量( 在相干照明时为光振幅，在非相干照明 时为光强度) 分布和像面的光量分布联系起来考虑，而不像其他像质那样单独考虑 一个物点或者一组亮线的成像。 对于一般的光学系统成像，总是可以认为满足线性条件和空间不变性条件的。 在讨论光学传递函数的测量时，通常都规定物面是在非相干照明下。这样，物平面 上邻近的发光点物在像平蔼上形成光量叠加时，不产生干涉现象，可以直接进行强 度叠加，测量时就可以以光能量作为测量对象了。 在非相干照明条件下，如物点经光学系统成像的辐照度分布为h ( u ，v ) ，则其归一 化辐照度分布就称为点扩散函数，用符号p s f ( u ，v ) 表示，并可写成下式： 胛( 刚) ：瓦堂! 堕一 ( 1 - - 1 ) f f ，v ) d u d v 点扩散函数p s f ( u ，v ) 相同的区域就是光学系统的等晕区，即满足空间不变性条 件的区域。满足线性条件的光学系统，在等晕区中下式： ，( ，1 ，) = ff d ( “，v ) p s f ( 一i t , ，1 ，) d u d v ( 1 2 ) 表示像面的辐照度分布式是物面的辐照度分布和点扩散函数的卷积。此式是讨论光 学传递函数概念的基本公式1 2 5 1 1 2 “。 1 1 2 光学传递函数的定义 根据傅立叶变换中的卷积定理，由式( 1 - - 2 ) 可以得出： l ( r ，s ) = 0 0 ，v ) o t f ( r ，s ) ( i 一3 ) 这里，o ( r ，一) 和，( ，s ) 分别是物面辐照度分布o ( u ，1 ，) 和像面辐照度分布i ( u ，1 ，) 的傅立 浙江大学倾士学位论文 叶变换r 和s 是频域中沿两个坐标方向的空间频率。式中d 7 f ( r ，s ) 被称为光学传递 函数，它是点扩散函数p s t ( u ，v ) 的傅立叶变换： o t f ( ，j ) = f ，s f ( u , v ) e x p ( - 2 n ( r u ) a u a v ( 1 4 ) 上式就是从点扩散函数出发的光学传递函数定义。由式( 1 - - 4 ) 可知，光学传递函 数o t f ( r ，j ) 通常是复函数，于是可表示成： 0 7 f ( ，j ) = m t f ( r ，曲e x p - i p t f ( r ，j ) 】( 1 - - 5 ) 上式中光学传递函数的模量m t f ( r ，s ) 称为光学传递函数的调制传递函数，幅角 p 7 f ( ，s ) 称为光学传递函数的相位传递函数。由于光学成像的像质主要与光强相关， 所以一般测量o t f 中比较重要的m t f 就可以了。 用欧拉公式展开式( 1 5 ) 很容易得到： 脚班厄丽而( i _ 6 ) 【p 陌( ，s ) = a r e t a n h ，( r ，s ) h 。( r ，s ) 】 其中 l ( ，s ) = f p s f ( r , s ) s i n 2 1 r ( u r + v s ) d u d v i 篡 f( 1 - - 7 ) 、 h e ( ) = j 牌( ) c o s 2 7 r ( u r + v s ) d u d v 二维的光学传递函数的测量和计算都是比较困难的。为了方便起见常在一个确 定方位角妒下测量和计算一维函数。一般令妒卸，则( 1 - 4 ) 式可写为： o t f ( r ) = l s f ( ”) e x p ( 一2 m u r ) d u ( 1 8 ) 其中肛( “) = t s f ( u , v ) d v ( 1 9 ) 则l s f 被称为光学系统的线扩散函数，它表示物平面上垂直坐标轴方向的条无限 细亮线，经光学系统所成亮线像的归一化辐照度分布。其归一化条件为： 塑翌查兰塑主兰丝堡三 h 一 i l 5 7 ：( u ) d u = 1 ( 1 一1 0 ) 上式表示把总辐照度归化为1 。而式( 1 - - 8 ) 表示光学系统的维光学传递函数是 它的线扩散函数的傅立叶变换。再令式( 1 - - 8 ) 中，= 0 ，结合式( 1 1 0 ) 可以得到 o t f ( o ) = 肛( t ，) d u = 1 ，所以式( 1 1 0 ) 也称为o t f 的零频归一化。由于d 陌( 7 ) 也是复函数则也可表示为： o t f ( r ) = m t f ( r ) e x p 一护7 f ( r ) 仿照式( 1 - - 6 ) 和( 1 - - 7 ) 同样有 m t f ( ，) ：肛万丽 ，7 f ( ，) = a r c t a n 瞄。( r ) l h 。( r ) 】 h e ( ，) = l s f ( “) c o s ( 2 n u r ) d u ，( ，) = p 肛( ) s i n ( 2 z u r ) d u ( 1 一1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 一1 4 ) ( 】一1 5 ) 1 2 测量m t f 的各种方法 测量光学传递豳数的理论并不复杂，但是要涉及到许多光机电算的综合技术， 特别是微光度测量技术。从1 9 5 5 年以来，世界上出现了许多测量m t f 的方法和仪 器。从测量仪器而言，大致可分为两种。一种是大型、多功能、高精度的所谓实验 室型仪器；另一种是操作迅速简便、高功效的所谓工厂型仪器，即在线检测型仪器。 从测量原理上，可分为如下几类1 2 6 i 。 1 扫描法 ( 1 ) 光学傅立时分析法。 ( 2 ) 光电傅立叶分析法。 ( 3 ) 电学傅立叶分析法。 ( 4 ) 数字傅立叶分析法。 2 自相关法 fj ) 切变干涉法。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 )光瞳函数计算机处理法。 ( 3 ) 全息干涉法。 3 匾相关法 4 频谱比较法 1 3 扫描法 扫描法是以式( 1 - - 8 ) 为依据，并在像面上进行测量的。在测量时为使零频 率的调制传递函数( m t f ) 归一化为l ，因而把狭缝像的总光通量归一化为1 。这类 测量仪器一般有三个基本组成部分：物发生器( 如狭缝、准直镜等) ，像分析器( 对 狭缝像进行傅立叶变换) 和仪器的机械装置。 1 3 1 光学傅立叶分析法 光学傅立叶分析法是直接用各种空间频率的正弦板来分析狭缝像的频谱，这种 正弦板也称为正弦光栅。用这种方法测量o t f 有两种情况，一种是正弦光栅作为实 验物，而光栅像用狭缝来扫描；另一种与此相反，以狭缝为实验物，而狭缝像用 正弦光栅来扫描。由于两种扫描方法是等效的，关键的问题是设法除去狭缝的影响。 实际测量时，用正弦光栅扫描狭缝像的方法在实验的安排上更为方便，所以只介绍 第二种方法，如图( 1 一1 ) 所示。 图( 1 一1 ) 设正弦光栅为z ( 善。) = b o ( 1 + c o s 2 x r # ) ( 1 一1 6 ) 狭缝像透过扫描光栅后的强度日( 。) 是狭缝像s 。( ；) 与正弦光栅z ( 善) 的卷积： r ( ，( 2j5 ( 善) z 瓯一善) 蟛 ( 1 _ 1 7 ) 浙 l 大学硕士学位论文 把狭缝像的全部光通量归一化为1 ，j ( 善+ ) d 4 = 1 ，则有： “( 毒。) = b o 【i + s ( r ) c o s 2 m 毒o 】 ( 1 1 8 ) 这里n ( ，) 是狭缝像s ( 孝) 的傅立叶变换。当然s ( ，) 是狭缝像的谱和线扩散函数谱的 乘积：s 1 ( r ) = h ( r ) s ( r ) 因此有 a ( 4 0 ) = b o i l + h ( r ) s ( r ) c o s 2 n r 4 0 】= b o 1 + 7 1 ( r ) c o s 2 n r 善。一o ( r ) 】 ( 1 1 9 ) 假定正弦光栅以速度v m m s 进行扫描，则光电信号的交变频率为y = ，探测到 的光电信号可表示为： a ( t ) = b o l + t ( r ) c o s 2 f f v t 一日( ，) 】 ( 1 - - 2 0 ) 口( f ) 的极大值和极小值之差给出了t 。( ，) ，而d ( f ) 信号的时间滞后给出了口。( r ) 。如果 狭缝的影响t ( ，) 和以( r ) 己知，那么调制传递函数m t f ( r ) 和相位传递函数p t f ( r ) 可由下两式给出： 7 1 ( ，) = m t f ( r ) t , ( r ) ( 1 - - 2 1 ) 臼( ，) = p 7 f ( ，) 十一；( ，) ( 1 2 2 ) 理想的狭缝应为一条线，但实际的狭缝都有一定的宽度，以保证有足够的光通 过。把狭缝看成是多条线光源的集合。则像面上得到的是多个线扩散函数l s f 的叠 加。现设狭缝的宽度为2 d ，如图( 1 2 ) a 所示。 。一 。l 2 d 厂、 一d d4 ( a ) 叮jj 10 、 00 08 0 02 02 i ，2 d t z 图( 1 2 ) 1 2 溉江尺学矾士学位论文 把狭缝处光强变化定义为狭缝函数一( 手) 吣) ： l ；群( | - - 2 3 ) 在这种情况下，被测物镜对这种有限宽度的狭缝成像时，在像面上的光强分布 可写成 一( 古1 ) = i y ( 喜) x f ( 善一孝) d 毒 ( 1 - - 2 4 ) 显然，( 掌) 与被测物镜的线扩散函数是不完全相等的( 狭缝越大，差别越大) ，因 此测得的值由式( 1 - - 2 1 ) 和( 1 - - 2 2 ) 来修正。两式中的t ( ，) 和见( ，) 分别为狭缝函 数s ( 孝) 的傅立叶变换的模量和幅角，即：s ( r ) = l ( r ) e 1 b ”。 根据式( 1 - - 2 3 ) 的傅立叶变换并归一化有 撕) = 絮笋= s i n c ( 2 r d ) ( 1 - - 2 5 ) 它的图形表示于图( 1 - - 2 ) b 。当空间频率在l 2 d r l d 的范围内时，s ( r ) 为负值。 这意味着它的幅角产生了变化董厅，即以( r ) = 刀。由式( 1 - - 2 5 ) 可看出，当狭缝宽 度2 d = l r 时，l ( r ) = 0 ，此时式( 1 - - 2 1 ) 中的，。( ，) = 0 ，所以无法测出m t f ( r ) 的值。 因此，测量时狭缝宽度应限制在2 d l l r 的范围内。 通过狭缝测量到的光电信号如果用计算机处理，那么狭缝的影响是很容易修正 的。在用光学模拟运算测量时，为了避免修正的麻烦。可根据空间频率r 来选取狭缝 宽度，使它们之间有2 d f 。所以实际的光路如图( 3 4 ) 昕示。 一 - 。0 广、 一n 7 f 1 少i 2 一 图( 3 4 ) 图中1 为刀口，2 为待测镜头，3 为显微物镜，其成像质量很高，像差很小， 可视为理想镜头，4 为c m o s 成像器件。成像系统对刀1 2 1 成像，由c m o s 接收，经 图像采集卡输入计算机进行处理。在实际测量时，l 和3 是固定不动的，由于要测量 不同焦距的透镜，2 的位置是需要调节的。又由于l 和2 的距离为l 米。近似成平行 光入射，因此4 的位置需要微调，我们用单片机控制步进电机来调节焦平面4 ，这就 需耍对焦的过程。 传统的测量轴外点m t f 值的方法是使目标物( 刀口) 在c c d c m o s 上所成的 像的位置基本不变，因此把待测镜头和显微物镜作为一个整体寻找其节点。根据节 点的性质，当光学系