应用CCD和液晶图形发生器的光学多参数综合测试技术研究

光学元器件和光学系统性能参数的快速、准确、集成化、自动化测量方法在现代军事和工业发展中的需求日益增多,已有的光学与光电测试设备基本上都是建立在目视测量、人工判读和人工数据处理的基础上.随着光电瞄准具、激光测距机、微光夜视仪器、红外热像仪、战术导弹观测与导引系统等现代化武器装备的出现,很多性能参数:例如多光轴一致性、装表精度、传递精度,以及可见光和微光系统的分辨力、畸变、光学传递函数等,靠目视观测和人工分析处理手段已不能满足要求.

作者提出建立一套由CCD像分析器、LCD图形发生器、电控平移旋转台、数字图像处理分析和机构控制软件等组成的综合化光学参数测量装置,依据积木式模块化设计思想,力求完成多光学参数的集成与自动化测量问题.在概述透镜焦距[1]、望远系统视放大率、视差和调制传递函数视频测量方法的基础上,分析多种光电自动定焦方法的应用[2～4].

1　光学参数测试原理

　　焦距、视放大率、视差、视度等是光学系统中最基本的参数,在光电自动测量方法中,依据模块化设计思想可将它们归于一类.它们的测量原理与装置有相似性,图1是焦距和视放大率的测量原理图.

通常,焦距测量采用放大率法,望远系统视放大率测量采用倍率计法.采用光电自动定焦测量的方法依然沿袭了传统测量法,但改进了目标发生、图像采集、数据分析处理等几个测量环节,提高了测量的自动化水平和客观性.测量视放大率和焦距的计算式分别为

式中　Γ为被测无限共轭望远系统的视放大率;fLUT为被测透镜的焦距;Γ1为由复消色差平场显微物镜和CCD镜头组成的显微系统的视放大率(如图1);fc和fr分别为准直仪和中继透镜组的焦距;d为液晶图形发生器上的双线间距;d′为CCD靶面上接收到的双线像间距;nL和nC分别为LCD和CCD靶面上线对间的像元数;nI为采集到的数字图像中线对间的像素数;c=nC/nI;wL和wC分别为LCD和CCD的像元尺寸,其大小视实际使用器件而定.测量过程如图2从左到右所示.

 测量中为确保目标像正好成在CCD靶面上,需要采用一个合理准确的自动定焦判据,并结合数字图像实时处理技术和伺服电机控制技术精确定焦.视差的测量是通过两次光电自动定焦完成的.其中,一次定焦于无穷远物体经过望远物镜所成的像面上,另一次定焦于分划板刻线面上,计算出两次定焦的视度值之差.

2　视频调制传递函数测试

光学系统在一定的约束条件下:例如消像差、近轴、等晕区范围大于点扩散函数范围等,具有线性和空间不变性,其成像性能可以用调制传递函数(MTF)评价.以往的MTF测量都需要用到光栅、狭缝、刀口等扫描元件[6],由于扫描与信号处理耗时,带来对测量机构与环境条件等一系列苛刻的要求,测量效率低.近年来出现采用CCD等面阵光电传感器快速采集视频图像信号计算出调制传递函数的新方法[5],即视频调制传递函数测量技术.用LCD图形发生器产生一亮狭缝,经光学系统成像于CCD靶面上,采集该被测系统线扩展函数的图像信号,经快速傅里叶变换等数值处理,即得该系统的调制传递函数值.为了减少图像随机噪声以及LCD像元尺寸大小不均等因素的影响,可采用如下帧间平均和行间平均软件算法