可見(jiàn)光光電成像系統(tǒng)整機(jī)綜合參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究

楊 紅，康登魁，姜昌錄，王 雷，郭 羽，馬世幫

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

可見(jiàn)光光電成像系統(tǒng)是構(gòu)成光電精密跟蹤和瞄準(zhǔn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣不僅取決于光學(xué)系統(tǒng)成像性能、CCD成像器件的性能，還與光學(xué)系統(tǒng)與CCD的匹配、電子處理電路、轉(zhuǎn)化精度（如圖象識(shí)別精度、圖像匹配精度）有關(guān)?？梢?jiàn)光光電成像系統(tǒng)整機(jī)的性能參數(shù)主要有分辨力、對(duì)比度、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、噪聲功率譜、噪聲等效亮度及靈敏度等參數(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于光學(xué)成像系統(tǒng)的測(cè)量評(píng)價(jià)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，美國(guó)OPTIKOS公司、德國(guó)TROPTIC、ZEISS公司等均推出了針對(duì)視場(chǎng)、焦距、光學(xué)傳遞函數(shù)、噪聲等參數(shù)的測(cè)試儀器。德國(guó)技術(shù)物理研究院（PTB）、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）以及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）開(kāi)展了光電成像系統(tǒng)的上述參數(shù)的溯源、校準(zhǔn)工作。在國(guó)內(nèi)許多單位都建立了基于光學(xué)傳遞函數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)裝置，但是，以上研究只是針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像性能展開(kāi)評(píng)價(jià)，并沒(méi)有考慮到探測(cè)器以及后續(xù)電路處理的影響［1－7］。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，特別是武器系統(tǒng)的升級(jí)換代，對(duì)光電系統(tǒng)整機(jī)綜合性能的校準(zhǔn)提出了越來(lái)越高的要求?；谏鲜龇治?，開(kāi)展了可見(jiàn)光光電成像系統(tǒng)整機(jī)綜合參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究，建立了相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，對(duì)分辨力、對(duì)比度、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、噪聲功率譜、靈敏度等參數(shù)展開(kāi)校準(zhǔn)／檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

校準(zhǔn)裝置如圖1所示，由積分球光源系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡、光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、被測(cè)系統(tǒng)支撐調(diào)整座、視頻圖像采集模塊、測(cè)量與控制軟件包等幾部分組成。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡安裝在高精度準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，通過(guò)積分球系統(tǒng)均勻照明，模擬無(wú)窮遠(yuǎn)的測(cè)試目標(biāo)。視頻圖像采集模塊采集被測(cè)樣品的圖像并輸入綜合處理軟件，完成光電成像系統(tǒng)綜合參數(shù)的測(cè)量。

圖1 測(cè)量裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of measurement equipment

圖1中，光源系統(tǒng)采用雙積分球結(jié)構(gòu)，積分球直徑為200mm，出口直徑為50mm，出口均勻性為95%，光源亮度的動(dòng)態(tài)范圍為106（cd／m2），通過(guò)8個(gè)尺寸不等的孔徑光闌和一個(gè)電動(dòng)衰減片可以完成光源系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)光，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 積分球光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of integrating sphere system

離軸拋物面鏡的焦距為2 036mm，離軸量為230mm，面形優(yōu)于0.1λ（λ＝633nm）。支撐調(diào)整臺(tái)為六維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，安裝在光學(xué)平臺(tái)上，由橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、橫行平移機(jī)構(gòu)和視場(chǎng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要針對(duì)當(dāng)前常用的標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻接口模式和Cameralink視頻接口模式，通過(guò)圖像采集卡將視頻信號(hào)輸入綜合處理軟件，完成對(duì)分辨力、對(duì)比度、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、噪聲功率譜、靈敏度等多參數(shù)的測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)某型號(hào)可見(jiàn)光電視探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了分辨率、光學(xué)傳遞函數(shù)、噪聲功率譜及信號(hào)傳遞函數(shù)的測(cè)量。

2.1 分辨力測(cè)量

可見(jiàn)光光電系統(tǒng)的分辨力測(cè)量采用主觀測(cè)量法。將標(biāo)準(zhǔn)分辨力靶標(biāo)安裝于光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的焦面處，可見(jiàn)光光電系統(tǒng)與光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)后觀測(cè)分辨力圖像。人眼主觀判斷能夠分辨的分辨力圖案獲得光電系統(tǒng)的分辨力。

在分辨率測(cè)量中，采用 WT1005－62型標(biāo)準(zhǔn)分辨率板第5號(hào)，測(cè)量結(jié)果如圖3所示，其分辨單元數(shù)為13。

按表可以查出線對(duì)數(shù)N0為6.25mm－1，按下式計(jì)算出系統(tǒng)的分辨率：

式中：f′0為準(zhǔn)直系統(tǒng)的焦距；f′為被測(cè)系統(tǒng)的焦距。

圖3 分辨率測(cè)量結(jié)果圖Fig.3 Resolution measurement result

2.2 對(duì)比度測(cè)量

對(duì)比度定義采用調(diào)制對(duì)比度的概念，將包含黑白對(duì)比度目標(biāo)的物理圖像采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法，確定出目標(biāo)與背景的對(duì)比度情況。測(cè)量局部對(duì)比度時(shí)，可以分別測(cè)得“暗背景”和“目標(biāo)”上某一部分的灰度值，并分別算出矩形框內(nèi)的平均灰度。調(diào)制對(duì)比度如下：

式中：M 為調(diào)制對(duì)比度；Lm為目標(biāo)的亮度；Lb為背景的亮度；Em和Eb分別為CCD像面上目標(biāo)和背景對(duì)應(yīng)的照度；m和b分別是由圖像中目標(biāo)和背景的測(cè)量區(qū)域中計(jì)算出的灰度值。在輸入亮度為8.5cd／m2的條件下進(jìn)行了對(duì)比度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 對(duì)比度測(cè)量結(jié)果圖Fig.4 Contrast measurement result

采用圖像分割處理技術(shù)，分別計(jì)算出目標(biāo)亮區(qū)域和背景暗區(qū)域的灰度值，根據(jù)公式計(jì)算出該亮度值下的對(duì)比度：

2.3 光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量

采用斜狹縫法可以解決光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量中空間頻率混疊和欠采樣的問(wèn)題。光學(xué)傳遞函數(shù)表達(dá)式為

式中D表示LSF（u）曲線下的面積。MTF（fx）和PTF（fx）可按下式計(jì)算：

式中：MTF為調(diào)制傳遞函數(shù)；PTF為相位傳遞函數(shù)；C（fx）和S（fx）分別對(duì)應(yīng)OTF的實(shí)部和虛部。

計(jì)算過(guò)程：沿CCD的每一行進(jìn)行LSF采樣，然后根據(jù)垂直方向上的質(zhì)心進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和匹配，針對(duì)重建后的LSF再進(jìn)行傅里葉變換，即可得到光學(xué)傳遞函數(shù)，該方法可提高測(cè)量系統(tǒng)的采樣率。

在MTF測(cè)量過(guò)程中，狹縫寬度為50μm，其對(duì)應(yīng)的截止頻率為40mm－1，采集卡系統(tǒng)像素對(duì)應(yīng)的截止頻率可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：FGBpixel為圖像處理系統(tǒng)的像元尺寸；EAL為系統(tǒng)的等效放大率。MTF計(jì)算的截止頻率應(yīng)為上述2個(gè)頻率的較小值。針對(duì)本裝置，采用四桿靶對(duì)系統(tǒng)等效放大率進(jìn)行了標(biāo)定，其值為13，則fcut＝39.4mm－1。該系統(tǒng)的截止頻率只能達(dá)到39.4mm－1。LSF和 MTF的測(cè)量結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 LSF測(cè)量曲線Fig.5 LSF measurement result

圖6 MTF測(cè)量曲線Fig.6 MTF measurement result

2.4 噪聲功率譜測(cè)量

對(duì)于光電成像系統(tǒng)，噪聲通常包括時(shí)間域噪聲和空間域噪聲。時(shí)間域噪聲泛指諸如輻射噪聲、溫度噪聲、熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲以及1／f噪聲等常見(jiàn)的基本噪聲，空間域噪聲為t時(shí)刻空間域均值為零的噪聲［8］。實(shí)際測(cè)量時(shí)，在背景圖案中選擇適當(dāng)?shù)姆e分區(qū)域，通過(guò)綜合處理軟件可以自動(dòng)擬合出噪聲功率譜曲線，并給出均方根噪聲、噪聲等效亮度等相關(guān)數(shù)值。

噪聲功率譜的曲線如圖7所示，選擇的像素?cái)?shù)為169，積分時(shí)間為0.04s，經(jīng)過(guò)計(jì)算，其均方根噪聲電壓為2.14mV，噪聲等效亮度（NEL）為0.045 5cd／m2。

圖7 噪聲功率譜測(cè)量曲線Fig.7 NPS measurement curve

2.5 信號(hào)傳遞函數(shù)測(cè)量

SiTF是響應(yīng)度函數(shù)（響應(yīng)度函數(shù)是典型的S型曲線）線性部分的斜率，實(shí)際測(cè)試中測(cè)試的是響應(yīng)度函數(shù)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，首先調(diào)節(jié)積分球光源系統(tǒng)的亮度值，找出光電系統(tǒng)可探測(cè)的最小和最大亮度值，再在其變化范圍內(nèi)均勻設(shè)置一定的測(cè)量點(diǎn)數(shù)，最后通過(guò)擬合，計(jì)算出響應(yīng)度函數(shù)。

在信號(hào)傳遞函數(shù)測(cè)量過(guò)程中，最大亮度值為為6cd／m2，最小亮度為1cd／m2，測(cè)量點(diǎn)數(shù)為15，其測(cè)量結(jié)果如圖8所示，圖中對(duì)線性部分進(jìn)行了線性擬合。它在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的測(cè)量值如表1所示。根據(jù)公式可以計(jì)算出信號(hào)傳遞函數(shù)的靈敏度S 為47mV·（cd／m2）－1。

表1 信號(hào)傳遞函數(shù)各點(diǎn)測(cè)量值Fig.1Measurement result of SiTF

圖8 信號(hào)傳遞函數(shù)擬合曲線Fig.8 Fitting curve of SiTF

3 系統(tǒng)的標(biāo)定

3.1 光源系統(tǒng)的標(biāo)定

采用照度計(jì)對(duì)積分球出口的照度均勻度進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)試步驟如下：1）將照度計(jì)探頭對(duì)準(zhǔn)出光口，探頭光接收面與積分球開(kāi)口內(nèi)壁齊平，避免積分球開(kāi)口墻壁擋住入射到照度計(jì)探頭的光；2）在出口照度值為103、102、101、100、10－1、10－2lx量級(jí)時(shí)，讀取每次測(cè)量值，測(cè)量結(jié)果如表2所示，其最大相對(duì)誤差為－2.3%。

表2 積分球光源亮度標(biāo)定值Table 2 Luminance calibration of integrating sphere

3.2 視頻采集系統(tǒng)的標(biāo)定

采用彩色視頻圖像發(fā)生器（Model 2225）對(duì)視頻采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。視頻輸出格式滿足RS－170及CCIR，視頻白電平和黑電平分別為1000mV和0mV。其標(biāo)定過(guò)程為：視頻發(fā)生器在白電平和黑電平之間選擇17檔，分別測(cè)量其輸出電壓，從而計(jì)算出其誤差值，測(cè)量結(jié)果如表3所示，最大相對(duì)測(cè)量誤差為1.00%［9－11］。

表3 視頻采集系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果Table 3 Calibration of video acquisition system

4 結(jié)論

研制的可見(jiàn)光光電成像系統(tǒng)綜合參數(shù)校準(zhǔn)裝置主要用于可見(jiàn)光光電系統(tǒng)整機(jī)多項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試和校準(zhǔn)。整套系統(tǒng)裝置實(shí)現(xiàn)了分辨力、光學(xué)傳遞函數(shù)、對(duì)比度、噪聲功率譜及信號(hào)傳遞函數(shù)等多參數(shù)的綜合校準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該套裝置的有效性，并采用照度計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器對(duì)積分球光源和信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，最大相對(duì)誤差分別為－2.3%和1%。隨著機(jī)載、車載以及艦載的各類搜索、跟蹤及瞄準(zhǔn)武器系統(tǒng)可見(jiàn)光光電成像系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，該裝置可以提高系統(tǒng)的校準(zhǔn)／檢測(cè)效率，為可見(jiàn)光光電成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝配和性能提升提供計(jì)量保障。

［1］ Su Datu，Shen Hailong，Chen Jinbang.Optical measurement and image evaluation［M］.Beijing：Beijing University of Technology Press，1988.蘇大圖，沈海龍，陳進(jìn)榜.光學(xué)測(cè)量與像質(zhì)鑒定［M］.北京：北京工業(yè)學(xué)院出版社，1988.

［2］ Zhu Xiangzhu，Zhang Jianhui.The characteristic of optical transfer function［J］.Journal of ShaoYang U－niversity：Natural Science，2005，2（2）：18－20.朱湘柱，張建輝.光學(xué)傳遞函數(shù)的特性研究［J］.邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，2（2）：18－20.

［3］ Fei Xiang，Ni Xuxiang.Present status and development trend of OTF testing insrument［J］.Optical Instruments，2003，25（2）：48－52.樊翔，倪旭翔.光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)試儀的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.光學(xué)儀器，2003，25（2）：48－52.

［4］ Jiao Mingyin，F(xiàn)eng Zhuoxiang.Digital Fourier analysis method for measuring the optical MTF of an IR imaging scanner［J］.SPIE，4221：248－251

［5］ State bureau of Technical Supervision.GB／T 13742－2009／ISO 11421：1997.Accuracy of optical transfer function （OTF）measurement［S］.Beijing，China Standard Publishing House，2009.國(guó)家 技 術(shù) 監(jiān) 督 局.GB／T 13742－2009／ISO 11421：1997.光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確度［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009

［6］ Yang Hong.The calibration of optical transfer function equipment of large aperture in infrared and visible band［J］.Optical Technique，2001，27（1）：87－94楊紅.大口徑可見(jiàn)光到紅外波段光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)試儀的標(biāo)定［J］.光學(xué)技術(shù)，2001，27（1）：87－94.

［7］ Ma Weihong，Ma Zhen，He Li，et al.Influency of spatial frequency calibration on OTF test percision［J］.Journal of Xi'an Institute of Technology，2004，24（2）：144－147.馬衛(wèi)紅，馬臻，賀麗，等.光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)試及空間頻率標(biāo)定方法［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24（2）：144－147.

［8］ Zhang Wei，Wang Yuefeng，Dong Wei.Testing of the power spectrum of image intensifier［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2003，23 （2）：621－622.張偉，汪岳峰，董偉.微光像增強(qiáng)器噪聲功率譜測(cè)試研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2003，23（2）：621－622.

［9］ Chen Liping，Su Hongyu，Yang Jiebin.Standard calibration equipments for television imaging sensors［J］.China Measurement ＆ Test，，2009，35（5）：77－80.陳麗萍，蘇紅雨，楊杰斌，等.電視圖像傳感器檢測(cè)平臺(tái)的研制［J］.中國(guó)測(cè)試，2009，35（5）：77－80.

［10］Greivenkamp J E，Lowman A E.Modulation transfer function measurement of sparse－array sensors using a self－calibrating fringe pattern［J］.Applied Optics，1994，33（22）：5029－5036.

［11］Boreman G.Transfer function in optical and electrooptical systems［M］.USA：SPIE Press，2001.