数字式透镜调制传递函数测试系统设计

　　1　引　言

　　调制传递函数(modulation transfer function,MTF)是表征透镜成像性能的一个非常重要的指标,它反映了在某些空间频率下透镜从物面到像面传递图像对比度的能力。在过去的几十年,已经提出了很多MTF的测试方法,包括扩展函数法、激光散斑法、正弦光栅法,等等[1-4],但是这些方法并不总是很方便,都存在一定的不足。目前,商用的MTF测试仪很昂贵,测试成本比较高,很难用于去测试一些普通透镜的MTF值;但是沿用一些传统方法,测试精度又比较低。因此有必要开发一种成本较低但是测量精度相对较高的测试系统,来测试一些普通透镜的MTF,用于教学实验和对测试精度要求不是非常高的场合。论文正是针对这样的需求,设计了一种数字式透镜MTF测试系统,引入CCD数字采集与处理系统,对透镜的MTF进行了在线测试。为了便于应用,还开发了用户操作界面。

　　2　测试系统及工作原理

　　2. 1　测试系统

　　图1给出了数字式透镜MTF测试系统的结构示意图,其中,S是光源, F是滤光片, L1是准直透镜,T是测试靶,L2是成像透镜, P是成像面,MF1和MF2是移动平台。从光源发出的光经过滤光片后变为单色光,该光束经过准直透镜变为平行光束,该平行光束垂直照射到测试靶上,经过成像透镜L2后,测试靶的像就成在像面P上。在像面上放置一面阵CCD,并通过后续的数据采集卡将成像采集进计算机进行分析处理,通过对采集图像的分析处理,最终可求得成像透镜L2的MTF值。整个光路采用物方无限远的方式,即用平行光照明测试靶的方式。

　　在本设计中,光源采用普通钨灯,为了分析不同颜色光照明情况下透镜的MTF值,系统设计了滤光片组合,可以通过旋钮调整在光路上放置不同颜色的滤光片,以实现多种颜色光照明。本系统可以调整得到的单色光有三种,分别是红光(Red: 600nm)、绿光(Green: 545nm)和蓝光(Blue: 345nm)。

　　测试靶被设计成如图2所示的结构,整个靶片上包含四种不同空间频率的矩形光栅,分别是8lp/mm, 20lp/mm, 40lp/mm和80lp/mm。每种矩形光栅区域包括四部分,分别是全透区域(图中白色方框)、全不透区域(图中黑色方框)、横向光栅条纹区域和纵向光栅条纹区域。之所以设计全透和全不透区域是为了界定入射光束的灰度范围,更好地确定透镜的MTF值;设计横向条纹和纵向条纹则是为了测量透镜横向MTF值和纵向MTF值。同时,为了在测量过程中可以更换不同空间频率的矩形光栅,测试靶被放置在一个移动平台MF1上,并用步进电机驱动,可以通过计算机控制平台的移动量,实现自动更换。

　　另外本设计还引入了自动对焦功能,将CCD放置在移动平台MF2上,用一台步进电机驱动;计算机分析采集到的图像,可判别像是否成在理想像面上,并根据分析结果驱动步进电机,使移动平台移动,最终使CCD接收面处于理想像面处。