二维调制传递函数及其在波前差检测方面的应用

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统,传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息,因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论,提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用NewtonCotes求积公式,对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导,提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明,二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性,可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.     

静态应力作用下预测光学系统性能的计算方法

本文通过计算预测光学性能的方法表征在光学系统组装和外界环境因素影响下的光学系统灵敏度。该方法即通过调制传递函数来表征静态机械应力对光学物镜性能的影响。采用光学干涉仪对经过加工、组装且存在机械应力的光学物镜进行测试,并比较实验调制传递函数与计算模拟分析的调制传递函数。结果表明,计算结果与实验结果相符,证实了本文方法的有效性。     

静态应力作用下预测光学系统性能的计算方法（英文）

本文通过计算预测光学性能的方法表征在光学系统组装和外界环境因素影响下的光学系统灵敏度。该方法即通过调制传递函数来表征静态机械应力对光学物镜性能的影响。采用光学干涉仪对经过加工、组装且存在机械应力的光学物镜进行测试,并比较实验调制传递函数与计算模拟分析的调制传递函数。结果表明,计算结果与实验结果相符,证实了本文方法的有效性。     

像增强器MTF测量理想像面选择方法研究

为了能够获得准确的调制传递函数测量结果,对测量系统中投射图像的理想成像面进行选择性调节。通过对微光像增强器调制传递函数测量系统光学成像性质的深入分析,讨论了光学系统的像差特性,利用平均中点取值法实现了微光像增强器调制传递函数测量中对理想成像面的选择。通过与微光像增强器已有测量结果的对比,证明所述方法能够保证微光像增强器调制传递函数测量的准确性。     

变焦投影物镜光学系统设计

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下,能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm,视场角为46°~75°,F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大,具有大视场角和小变焦倍比,根据变焦理论,采用正组补偿的机械补偿法,并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段,求出高斯解;然后对各组元分别选用合理的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题,并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明:该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求,在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3,畸变小于1%。     

应用波像差理论计算Kirkpatrick-Baez系统的调制传递函数

调制传递函数（modulation transfer function,MTF）曲线可以客观地评价光学系统的成像性能。基于平面对称光学系统的波像差理论,给出了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜光学系统主要像差的波像差计算表达式,采用自相关法,通过Gauss-Legendre数值积分求解并绘制了KB系统的MTF曲线,且与光学分析软件的MTF曲线进行对比。结果表明:应用波像差理论计算调制传递函数不仅可以定量直观地分析KB系统的成像性能,而且能进一步解析光学系统的单项像差分布情况,提供更具针对性的系统优化方案。     

光电成像系统动态调制传递函数测量装置

在光电成像系统中,动态调制传递函数受到光学系统波像差、探测组件信号分辨率及传递特性以及载体运动引起图像模糊等环节对图像质量的综合影响,成为光电成像系统的重要参数之一。论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研制一种动态调制传递函数测量装置,其中光学准直系统焦距为10 000 mm,运动目标速度控制范围达到30 mm/s～5 000 mm/s,满足长焦距光电成像系统的动态调制传递函数测试。利用该装置进行了一系列的实验研究,结果表明,动态调制传递函数测量重复性优于0.01,测量不确定度达到U=0.05（k=2）。     

基于三维缺陷检测的双光路双远心光学系统设计

针对基于SMT技术生产的PCB板产品的三维缺陷检测问题,设计了一款高分辨率、高远心度及低畸变的双光路双远心光学系统。它通过远心投影物镜经共光路物镜将DMD数字条纹均匀投影至待测物面,同时经由共光路物镜和成像物镜收集物面反射条纹光至CMOS接收面。使用ZEMAX光学软件分别对三部分镜组进行优化设计,分析了系统的像差和调制传递函数。设计结果表明:共光路物镜部分采用长工作距离、大视场角及物方远心结构,空间频率50lp/mm处,各视场的MTF接近衍射极限;投影光路畸变小于0.1%,在投影面上全视场范围MTF在6lp/mm处大于0.8且条纹周期均匀;成像光路畸变小于0.05%,在全视场范围MTF在80lp/mm处大于0.3。仿真成像结果表明,在离焦量为+/-6mm时仍能达到景深范围内分辨率要求,能有效提高3D AOI检测质量。且双光路双远心系统所用材料基本为普通玻璃且重复率较高,利于加工和节省成本。     

基于针孔目标物的调制传递函数测试

为了有效测试物镜或光学系统的调制传递函数，采用CCD自动扫描针孔像，并分析系统及环境对目标像的影响因素；系统通过连续采集多幅目标物图像进行平均后，再减去当时的背景图像进行图像处理，选取包含目标物所有信息的合适积分区域，然后通过子午和弧矢方向的积分得到一维的线扩散函数，再经数据处理后由离散傅里叶变换求模得到较可靠的调制传递函数。结果表明：该方法能够快速测量出被测物镜的调制传递函数。     

线性离散成像系统调制传递函数的随机条纹测试法

离散光电成像系统因其不再具有平移不变特性,它的调制传递函数测试具有相当的复杂性和不稳定性。为提高光学系统调制传递函数测试的灵活性和可重复性,在基于统计光学和随机信号相关性理论的基础上,分析了离散型空间随机信号经线性光学系统成像后的物像相关性,提出了应用随机条纹靶来测定调制传递函数的方法。并给出了计算数据结果。该方法从统计意义上考虑了离散采样成像器件的采样场景相位的影响,大大提高了现场测试的灵活性和自动化程度,具有很好的应用前景。此方法同样适用于一般光学成像系统的调制传递函数测量。     

行星光学远程着陆模拟器光学系统设计

为了实现对行星光学远程着陆过程的光学模拟以及满足行星光学远程着陆系统导航算法的地面测试需求,提出了以商用投影仪显示系统为基础的模拟器光学系统方案,重点阐述了系统的光学设计思想,并给出了设计结果.首先,介绍了模拟器的工作原理和系统组成,在此基础上,由技术要求及所选择的投影仪和CCD参数确定了投影镜头和成像镜头的光学系统指标,最后给出了投影镜头、成像镜头及系统对接的光学结构图,像差曲线、点列图和MTF曲线图.仿真分析结果表明:系统的点列图中的弥散斑对称性都很好,有利于模拟器系统的后续图像处理和判读,同时系统在Nyquist频率(91 lp/mm)处的MTF设计值接近0.6,系统整体成像性能良好.设计结果可作为研制行星光学远程着陆模拟器系统的基础.     

用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头的光学设计

针对现有沉浸式飞行模拟器进一步小型化和低成本化的需求,设计了一款应用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头。论文确定了投影方案中各部件(球带幕、投影机、投影物镜)的关键参数,设计的球带幕投影镜头具有172°的视场角和6∶1的反远比,将一台装有该镜头的投影机置于银幕上沿就可以将画面投满整个球带幕。文中给出了大视场、大反远比光学系统的构造方法,对大视场非相似成像系统中的畸变、场曲和相对照度进行了分析和讨论,并给出了改善照度均匀性的有效途径。该镜头以8片透镜的低成本结构满足了4 k分辨率的高质量投影需求,在奈奎斯特频率185 lp/mm处全部视场的MTF值均达到了0.4以上,且具有良好的工艺性。     

Distortion correction for imaging on non-planar surface using freeform lens

The method of designing a freeform lens which can image on a formula describable non-planar surface with low distortion was proposed aimed on distortion correction. In this method, the Snell's law and the correspondence between the coordinates of object and the distortion free image are used to establish the partial differential equation which characterizes the freeform surface, and the partial differential equation can be solved to form the freeform surface. Take projection on spherical surface for example, a freeform lens is designed. After adding this lens to the ordinary projection lens at a certain position, the system (ordinary projection lens and freeform lens) can project an image on sphere with absolute distortion about 2 mm for an observer at half of the projection distance, and the MTF on sphere is analyzed in detail after.     

采样窗口对光学系统MTF测量影响的研究

对光学系统MTF测试中采样窗口对其测量影响进行了研究。在对标准镜头MTF测试时,采用离散傅里叶变换计算,线扩散函数扫描方向长度为所选针孔像线扩散函数半高宽的5倍左右时,MTF测试结果与设计值差异极值为0．011;采用快速傅里叶变换计算,线扩散函数扫描方向长度为所选针孔像线扩散函数半高宽的5倍左右时,同时采样点数要满足2^N,测试结果与设计值差异极值为0．010。为了证明此结论的普适性,按所提的采样窗口选取原则,对大像差镜头轴上和轴外的MTF进行了试验,并将测试结果与OPTIKOS的测试结果进行对比,最大极差为0．013。试验结果表明,此结论能够为光学系统MTF测试时采样窗口选择提供依据。     

大口径可见光到红外波段光学传递函数测试仪的标定

大口径可见光到红外波段OTF测试仪测量功能齐全 ,即可测量照相系统、望远系统的光学传递函数 (OTF) ,并且兼有测量焦距、放大率和光谱透射比等参数的功能。通过用OTF标准镜头进行标定 ,开展OTF国际比对工作 ,为建立OTF计量标准打下基础。该系统测量不确定度为 :可见光至近红外波段 :轴上 0 0 3、轴外 0 0 5 ;红外波段 :轴上0 0 4、轴外 0 0 6。重复性 :0 0 1(RMS)。主要性能指标均达到当前国际先进水平。     

紫外光学传递函数测量装置研究

光学传递函数是评价光学系统成像质量的重要指标,针对目前光学传递函数测量只能覆盖可见光和红外波段,自行研制了紫外波段(260 nm～400 nm)光学传递函数（OTF）测量装置。介绍了装置的原理及组成,采用中心波长为0=300 nm和0=380 nm 2种OTF标准镜头在2个光谱范围内对OTF测量装置进行了标定和测试,结果表明:调制传递函数（MTF）的测量值与理论值的偏差:0.03（轴上）;0.05（轴外）。最后,对装置的测量不确定度进行了评估。     

Characterization of the 3D resolution of topometric sensors based on fringe and speckle pattern projection by a 3D transfer function

The increasing importance of optical 3D measurement techniques and the growing number of available methods and systems require a fast and simple method to characterize the measurement accuracy. However, the conventional approach of comparing measured coordinates to known reference coordinates of a test target faces two major challenges: the precise fabrication of the target and - in case of pattern projecting systems - finding the position of the reference points in the obtained point cloud. The modulation transfer function (MTF) on the other hand is an established instrument to describe the resolution characteristics of 2D imaging systems. Here, the MTF concept is applied to two different topometric systems based on fringe and speckle pattern projection to obtain a 3D transfer function. We demonstrate that in the present case fringe projection provides typically 3.5 times the 3D resolution achieved with speckle pattern projection. By combining measurements of the 3D transfer function with 2D MTF measurements the dependency of 2D and 3D resolutions are characterized. We show that the method allows for a simple comparison of the 3D resolution of two 3D sensors using a low cost test target, which is easy to manufacture.     

一种基于针孔像分析的光学系统调制传递函数测量的自适应背景校正方法

提出了一种基于针孔像分析的光学系统调制传递函数(MTF)测量自适应背景校正的方法。由CCD显微系统采集针孔目标经被测光学系统成像后的针孔像,计算线扩展函数,并对其进行自适应背景校正,获取MTF。该方法与传统方法相比,消除了周围环境光照变化的影响,提高了测量精度。为验证所提方法的有效性,对标准镜头进行MTF测试,将测试结果与理论设计值比对,测试结果差异极大值为0.01;与美国Optikos公司的测试结果比对,测试结果差异极大值为0.015;对大像差光学系统的轴上和轴外进行MTF测试,并将测试结果与美国Optikos公司测试结果比对,测试结果差异极大值为0.013。实验表明,该方法可满足对不同像差光学系统轴上和轴外MTF的测量。