光學(xué)傳遞函數(shù)及像質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn).docx

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1、實(shí)驗(yàn)十一光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量及像質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)光學(xué)成像系統(tǒng)是信息（結(jié)構(gòu)、灰度、色彩）傳遞系統(tǒng)，從物面到像面，輸出圖像的質(zhì)量取決于光學(xué)系統(tǒng)的傳遞特性。在頻域中分析光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量時(shí)，可以把光學(xué)成像系統(tǒng)看成是一個(gè)低通空間濾波器，將輸入信息分解成各種空間頻率分量。通過(guò)考察這些空間頻率分量在通過(guò)系統(tǒng)的傳遞過(guò)程中丟失、衰減、相位移動(dòng)等變化，也就是研究系統(tǒng)的空間頻率傳遞特性即光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF，OpticalTransferFunction），來(lái)獲取成像的空間頻譜特性。光學(xué)傳遞函數(shù)的性質(zhì)主要體現(xiàn)在：它定量反映了光學(xué)系統(tǒng)的孔徑、光譜成分以及像差

2、大小所引起的綜合效果；用它來(lái)討論光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，其可靠性依賴(lài)于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)線(xiàn)性和空間不變性的滿(mǎn)足程度；用它來(lái)分析討論物像之間的關(guān)系時(shí)，不受試驗(yàn)物形式的限制；可以用各個(gè)不同方位的一維光學(xué)傳遞函數(shù)來(lái)分析處理光學(xué)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了二維處理；它可以根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，也能對(duì)已制成的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量?？梢?jiàn)，光學(xué)傳遞函數(shù)表征光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體或圖像中不同頻率的信息成分的傳遞特征，可用于光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)。本實(shí)驗(yàn)利用非相干面光源、光柵、透鏡、CCD（Charge-coupledDevice，電荷耦合元件）圖像傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，測(cè)出光學(xué)成像系

3、統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線(xiàn)圖，并對(duì)成像質(zhì)量作出評(píng)價(jià)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解光學(xué)傳遞函數(shù)及其測(cè)量方法。2．掌握傳遞函數(shù)測(cè)量和像質(zhì)評(píng)價(jià)的近似方法。3．熟悉抽樣、平均和統(tǒng)計(jì)算法。二、實(shí)驗(yàn)儀器面光源、凸透鏡、CCD圖像傳感器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)軌（滑塊）、調(diào)節(jié)支座（支架）、干版架、可調(diào)節(jié)光闌。三、實(shí)驗(yàn)原理1.光學(xué)傳遞函數(shù)一個(gè)確定的物分布可看成許多個(gè)d函數(shù)的線(xiàn)性組合，每個(gè)d函數(shù)在像面上均有對(duì)應(yīng)的脈沖響應(yīng)。如果是非相干照明，則物面上任意兩個(gè)脈沖都是非相干的，它們的脈沖響應(yīng)在像面上也是非相干疊加，也就是強(qiáng)度疊加。假設(shè)非相干成像系統(tǒng)是強(qiáng)度

4、的線(xiàn)性系統(tǒng)，成像空域不變，則該系統(tǒng)物像關(guān)系滿(mǎn)足以下卷積積分：（1）式中是物體理想像的強(qiáng)度分布，是物體通過(guò)衍射受限系統(tǒng)后成像的強(qiáng)度分布，是強(qiáng)度脈沖響應(yīng)，為點(diǎn)物產(chǎn)生的像斑的強(qiáng)度分布。圖1物、像光強(qiáng)分布與調(diào)制度、光學(xué)傳遞函數(shù)關(guān)系示意圖對(duì)式(1)兩邊做傅里葉變換，得到頻域中的物像關(guān)系，（2）式中，，。由于、、均為非負(fù)實(shí)函數(shù)，必有零頻分量。對(duì)頻譜進(jìn)行歸一化，可得到因此有，其中稱(chēng)為非相干成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF，OpticalTransferFunction），是一個(gè)復(fù)函數(shù)，模部分為調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF，ModulationTran

5、sferFunction），相位部分為相位傳遞函數(shù)（PTF，PhaseTransferFunction）。MTF和PTF分別反映空間頻率為的余弦分量通過(guò)系統(tǒng)的降低度和橫向位移量。根據(jù)調(diào)制度的定義知，物體理想像強(qiáng)度分布和通過(guò)成像系統(tǒng)之后的像強(qiáng)度分布的調(diào)制度分別為和，且。為方便理解相關(guān)概念，圖1給出了物、像的光強(qiáng)分布與調(diào)制度、光學(xué)傳遞函數(shù)的關(guān)系。對(duì)于一維正弦光柵，其透過(guò)率是空間的正弦函數(shù)，可表示為,其中物分布初相位為零，為方向的空間頻率，則物的調(diào)制度為，物光經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后像光強(qiáng)的頻譜為對(duì)上式進(jìn)行傅里葉逆變換，得到像面光強(qiáng)分布函數(shù)，其中

6、。因此，該光學(xué)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于空間頻率余弦輸入信號(hào)調(diào)制傳遞函數(shù)為?？紤]到正弦光柵分劃板難于制造，且達(dá)不到精度要求，實(shí)驗(yàn)中用矩形光柵代替正弦光柵作為成像物，測(cè)出系統(tǒng)的對(duì)比傳遞函數(shù)，再求出調(diào)制傳遞函數(shù)。取空間頻率為的矩形光柵，進(jìn)行傅里葉展開(kāi)，得到。假設(shè)成像時(shí)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)為，則矩形光柵像的強(qiáng)度分布為，像的調(diào)制度為。假設(shè)矩形光柵的調(diào)制度為1，則該成像系統(tǒng)的對(duì)比傳遞函數(shù)，從而得到成像系統(tǒng)對(duì)應(yīng)空間頻率的調(diào)制傳遞函數(shù)?？紤]到成像系統(tǒng)都存在截止頻率，故實(shí)際使用的項(xiàng)數(shù)有限。低頻情況下，一般取前三項(xiàng)就達(dá)到精度要求。大于三分之一截止頻率時(shí)，系統(tǒng)的對(duì)

7、比傳遞函數(shù)均為零，此時(shí)調(diào)制傳遞函數(shù)取。實(shí)驗(yàn)中由于衍射和光學(xué)像差的影響，使得實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的像不再是矩形光柵。通過(guò)對(duì)矩形光柵形成的像進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)，作出直方圖，兩端極大值和極小值之差，可表示在相應(yīng)空間頻率下調(diào)制傳遞函數(shù)MTF值，如圖2所示。（a）（b）（c）圖2（a）調(diào)制度為1的矩形光柵目標(biāo)函數(shù)；（b）對(duì)矩形光柵的不完善像進(jìn)行抽樣；（c）直方統(tǒng)計(jì)圖2.利用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線(xiàn)進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)數(shù)碼照片成像素質(zhì)影響最大的是鏡頭的分辨率和反差，一般通過(guò)拍攝正弦光柵來(lái)進(jìn)行測(cè)試。分辨率的單位是線(xiàn)對(duì)/毫米（lp/mm），相鄰的黑白兩條線(xiàn)稱(chēng)為

8、一個(gè)線(xiàn)對(duì)，每毫米能夠分辨出的線(xiàn)對(duì)數(shù)就是分辨率。正弦光柵的疏密程度被稱(chēng)為空間頻率，單位也是lp/mm，表示單位長(zhǎng)度（每毫米）的亮度按照正弦變化的圖形的周期數(shù)。在對(duì)鏡頭的反差和分辨率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將正弦光柵置于鏡頭前方，測(cè)量鏡頭成像處的調(diào)制度。這時(shí)由于鏡頭像差的影響，會(huì)出現(xiàn)以下情況