基于数字图像处理的MTF测试及算法的研究

论文摘要

近代光学理论中,光学传递函数已经成为了评价成像质量的一个重要指标。这一指标客观,准确,并且能够定量进行分析,比之于早期的鉴别率测试和星点检验都更为先进。如今,随着计算机编程技术的快速发展和高精度光电检测器件的日益改进,光学传递函数的计算和测量工作日趋完善,已经广泛应用于光学设计,加工,检测和信息处理等方面。本文所研究的光学传递函数测试仪,是以实际的工程项目为基础,结合数字图像处理方面的理论技术,通过对调制传递函数数理理论和检测理论的深入研究,从而实现对光学成像镜头像质进行精确检测的一种设备。本论文的主要内容如下：首先,论文简述了近代傅立叶光学理论的发展,包括光学传递函数理论的提出背景和发展历史。简要说明了当今国内外光学传递函数的发展水平,指出了测试技术的发展方向。阐述了本文的研究背景和意义,提出了本论文的主要工作。其次,论文阐述了一般像质评价的方法,并简要说明了光学传递函数作为评价指标的特点。在此基础上,详细分析了光学传递函数的表示方法和评价方法。同时基于数字傅立叶分析测量法的原理,分析了使用快速傅立叶变换对图像进行处理的的优点,简要的推导了快速傅立叶变换的过程,提出了使用蝶形算法的办法。以上面的内容为基础,论文给出了搭建了测试系统所需的硬件架构,编写了应用程序。对所采用的算法给出了实现的代码。通过对镜头样品进行的一系列测试,对测试系统的稳定性,产生误差的原因和解决措施做了分析与探讨。最后,对全文所做的工作进行了总结,提出有待改进的问题,以及目前工作中存在的不足,并且对将来的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 近代傅立叶光学理论的提出
• 1.2 光学传递函数技术的发展
• 1.3 国内外光学传递函数测量技术的现状
• 1.3.1 国外的测试技术现状
• 1.3.2 国内的测试技术现状
• 1.4 本论文的研究背景和实际意义
• 1.5 本论文的主要工作
• 2 光学系统的像质评价与光学传递函数
• 2.1 一般像质评价的方法
• 2.2 光学传递函数的特点
• 2.3 光学传递函数的表示
• 2.3.1 OTF的常规表示
• 2.3.2 以MTF曲线族表示
• 2.4 MTF的评价方法
• 3 MTF测量的理论依据
• 3.1 基于扫描法的数字傅立叶分析法
• 3.2 基于数字图像处理的快速傅立叶变换
• 3.3 快速傅立叶变换算法
• 3.3.1 离散傅立叶变换
• 3.3.2 快速傅立叶变换
• 4 MTF测试系统的硬件构成
• 4.1 系统功能图
• 4.2 测试系统装置的构成
• 4.3 点光源成像系统
• 4.3.1 白光光源模块
• 4.3.2 离轴抛物面反射镜模块
• 4.4 图像采集模块
• 4.4.1 测试系统所采用的CCD
• 4.4.2 图像采集卡
• 4.5 步进电机控制模块
• 4.5.1 场聚焦模块
• 4.5.2 步进电机
• 4.5.3 步进电机驱动系统
• 5 MTF测试系统的软件与算法实现
• 5.1 图像采集模块
• 5.1.1 图像采集卡概述
• 5.1.2 用VC++实现对图像的采集
• 5.2 图像预处理模块
• 5.2.1 设备无关位图（DIB）
• 5.2.2 图像噪声处理
• 5.3 MTF值计算模块
• 5.3.1 线扩散函数曲线
• 5.3.2 快速傅里叶变换的实现
• 5.3.3 绘制MTF曲线
• 5.4 步进电机控制模块
• 5.4.1 步进电机的驱动
• 5.4.2 步进电机的自动调焦
• 5.4.3 自动调焦的程序实现
• 6 测试结果及误差分析
• 6.1 测试步骤
• 6.2 测试结果
• 6.3 对比实验
• 6.4 测试系统的误差分析与校正
• 6.4.1 光学成像系统的影响
• 6.4.2 CCD的误差影响
• 6.4.3 步进电机的影响
• 7 结束语
• 7.1 本文的创新点
• 7.2 工作中的不足
• 致谢
• 参考文献