调制传递函数的测量与透镜像值评价实验报告.doc

佛山科学技术学院实 验 报告课程名称 近代物理实验 实验项目 调制传递函数的测量与透镜像值评价 专业班级 10物师 姓名 邓新炬 学号 2010284102 仪器组号 指导教师 李斌 成绩 日期 2013年 月 日 一.实验目的1了解传递函数测量的基本原理，掌握传递函数测量和成像质量评价的近似方法；2通过对不同空间频率的矩形光栅成像的方法，测量透镜的调制传递函数。二 实验仪器传递函数实验装置。（硬件包括：三色面光源、目标板、待测透镜和CCD；软件包括：图像采集软件、调制传递函数计算软件。）三.实验原理任何二维物体g(x, y)都可以分解成一系列沿x方向和y方向的不同空间频率(vx，vy)的简谐函数(物理上表示正弦光栅)的线性叠加： ( 1)式中，(vx，vy)是物体函数g(x, y)的傅里叶频谱，它表示物体所包含的空间频率(vx，vy)的成分含量，其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓，高频成分则表征物体的细节。当该物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两种变化：首先是对比度下降，其次是相位发生变化，而相应的(vx, vy)变为像的傅里叶频谱，这一过程可表示为： (2)式中，H(vx, vy)称为光学传递函数，它是一个复函数，可以表示为：其中模m(vx, vy)被称为调制传递函数（modulation transfer function, MTF），相位部分f (vx，vy)则称为相位传递函数（phase transfer function, PTF）。对像的傅里叶频谱再作一次逆变换，就得到像的复振幅分布： (3)空间频率是用一种叫“光栅”的目标板来测试，它的线条从黑到白逐渐过渡，见图27-2。相邻的两个最大值的距离是正弦光栅的空间周期，单位是毫米。空间周期的倒数就是空间频率(Spatial Frequency)，单位是线对/毫米(lp/mm )。正弦光栅最亮处与最暗处的差别，反映了图形的反差(对比度)。设最大亮度为Imax，最小亮度为Imin，我们用调制度(Modulation)表示反差的大小。调制度m定义如下： 式中，MTF(vx，vy)表示在传递过程中调制度的变化，一般说MTF越高，系统的像越清晰。显然，当MTF=1时，表示像包含了物的全部信息，没有失真。但由于光波在光学系统孔径上发生了衍射以及存在像差（包括光学元件设计中的余留像差及装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能越差。除零频以外，MTF的值永远小于1。平时所说的光学传递函数往往就是指调制传递函数MTF。图27-3给出一个光学镜头的MTF曲线。图1 光学镜头的MTF曲线 图2 本实验用CCD对矩形光栅的像进行抽样处理，测定像的归一化调制度，并观察离焦对MTF的影响。一个矩形光栅目标物的光强分布如图27-4(a)所示，横坐标是光栅的空间尺寸，纵坐标是规一化光强分布。如果光学系统生成无失真的像，像仍为矩形光栅，如图27-4(b)。在软件中对像进行抽样统计，其直方图为一对函数，位于0和1，如图27-4(c)，横坐标是规一化光强，范围从0至1，纵坐标是对应于光强值的统计结果。四 【实验内容及步骤】1将CCD与图像采集卡相连，打开图像采集软件，确定CCD和图像采集卡工作是否正常；2用CCD在成像系统（或透镜）的像平面接收，调节目标板的位置，使目标板在显示器屏幕中得到相对清晰的放大像，一个条纹单元完整充满软件的显示窗口；3目标板上有不同空间频率的矩形光栅，每个单元由水平条纹、竖直条纹、全黑、全白四个部分组成，选择想要测量的空间频率的条纹单元，移动目标板使该单元移到光路中心；4点击软件窗口左侧的“局部存储”按钮，此时整个图像静止，屏幕上会出现一红色方框。按住鼠标左键将该方框拖至水平条纹部分，双击方框内部，将所采集图像的数据文件起名并保存至 Macd 文件夹中，文件后缀为.prn不变，如此如此依次再将竖直条纹部分、全白部分、全黑部分采集并保存至Mcad文件夹中。应保证红色方框跨三条以上的明暗条纹；5运行Mcad文件夹中的MTF-new.MCD文件。将先前保存在Mcad文件夹中的水平，竖直，白，黑的4个文件名分别粘贴在MTF-new.MCD文件相应位置的引号内，该程序将会自动处理，并在最后给出水平方向和竖直方向的图文并茂的处理过程和MTF值。6目标板上共有四种空间频率可供测量对比；光源分别发出红、绿、蓝三色光，可以用来分别测出三种波长光照明下的MTF值。、五.实验数据和数据处理1 红光频率10255080竖条(MTF)0.660.480.320.12横条(MTF)0.520.340160.1图 12 绿光频率10255080竖条(MTF)0.60.480.240.16横条(MTF)0.40.340.260.12图 23 蓝光频率10255080竖条(MTF)0.560.40.120.09横条(MTF)0.360.34260.180.08 图3六 实验结果 实验结果如上图所示。七 实验总结通