基于CCD的MTF系统自动调焦系统开发及误差分析

论文摘要

调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)是评价光学系统成像质量的重要指标。自从MTF继传统像质评价方法之后成为新的评价标准以来,调制传递函数在各个领域得到了广大地推广和运用。随着计算机技术的高速发展和光电检测器件性能的不断提高,国内外对光学传递函数测量的研究得到了不断的深入,并研制出许多用于测量MTF的检测仪器。但这些测量仪器大都属于多功能、高精度的实验室仪器,价格昂贵、系统结构复杂、测量时间长、测量调节复杂,不适合用于批量镜头的MTF检测。而且通常只能在物距无穷远的条件下测量光学系统的光学传递函数。因此有必要研发一种成本较低、结构简单,测量精度高、稳定性好的光学系统成像质量评定装置,用于批量镜头的光学传递函数检测。本课题在充分研究光学传递函数的理论基础上,给出了狭缝、刀口作为目标物时,MTF测量的理论推导。并编译了测量系统需要的软件平台,搭建了成本低、结构简单、精度高的测量光路。在上述MTF测量系统的基础上,根据自动调焦的基本原理,并在兼顾效率和精度的前提下,进行自聚焦系统的开发,包括自动调焦的搜索算法以及聚焦评价函数的研究。对于自动调焦搜索算法,分别采用爬山法和传统方法作为粗调焦和细调焦的调焦搜索算法,给出了粗调焦和细调焦的主要步骤流程；经过相关实验得出,在长步长调焦时,可以采用Laplacian函数作为聚焦评价函数；在小步长调焦时,1×物镜更适合采用Tenengrad函数作为聚焦评价函数,4×物镜更适合采用灰度梯度函数作为聚焦评价函数。通过实验显示,该MTF测量系统具有良好的稳定性。最后,根据测量系统的构成进行了相关误差分析,分析了照明光源不均匀性、噪声、CCD以及光学元件对MTF测量产生的影响。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 光学传递函数的发展
• 1.1.2 自动调焦技术的发展
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 本文主要特点以及结构安排
• 第2章 光学传递函数
• 2.1 光学传递函数的定义
• 2.2 线性空间不变系统
• 2.3 光学传递函数的推导
• 2.4 调制传递函数（MTF）下降的物理原因
• 2.4.1 单色像差
• 2.4.2 色像差
• 第3章 光学传递函数测量的理论结构
• 3.1 光学传递函数测量的理论基础
• 3.1.1 点扩散函数
• 3.1.2 线扩散函数
• 3.1.3 边缘扩散函数
• 3.2 光学传递函数常用的测量方式
• 3.2.1 针孔测量法
• 3.2.2 狭缝测量法
• 3.2.3 刀口测量法
• 第4章 自动调焦理论
• 4.1 自动调焦在MTF测量中的重要作用
• 4.2 自动调焦系统的工作原理
• 4.3 聚焦评价函数
• 4.3.1 透镜成像原理
• 4.3.2 聚焦评价函数的分类
• 4.3.3 灰度梯度函数
• 4.4 自动调焦的搜索算法
• 第5章 光学传递函数测量系统的硬件组成
• 5.1 光学传递函数测量系统的硬件结构
• 5.2 目标光源
• 5.2.1 光源
• 5.2.2 可调光栅
• 5.2.3 目标物
• 5.3 图像采集系统
• 5.3.1 中继物镜
• 5.3.2 CCD摄像机
• 5.3.3 图像采集卡
• 5.4 步进电机控制系统
• 5.4.1 纵向可调平台
• 5.4.2 横向精密调节平移台
• 5.4.3 步进电机
• 5.4.4 动作控制器板
• 5.4.5 马达驱动器
• 第6章 光学传递函数测量系统的软件组成
• 6.1 软件总体结构及功能
• 6.1.1 图像采集模块
• 6.1.2 电机控制模块
• 6.1.3 MTF计算模块
• 6.1.4 文件管理模块
• 6.1.5 图形绘制模块
• 6.2 CCD图像采集
• 6.3 调焦系统
• 6.4 MTF测量系统
• 第7章 自聚焦系统的开发
• 7.1 自动调焦搜索算法的方案设计
• 7.1.1 粗调焦过程
• 7.1.2 细调焦过程
• 7.2 聚焦评价函数
• 7.2.1 清晰度判断函数在大步长200μm时的响应
• 7.2.2 清晰度判断函数在小步长20μm时的响应
• 7.3 本章小结
• 第8章 调制传递函数测量系统的测试结果与误差分析
• 8.1 调制传递函数测量系统的测试结果
• 8.2 调制传递函数测量系统的误差分析
• 第9章 总结与展望
• 9.1 工作总结
• 9.2 有待进一步完善的工作
• 参考文献
• 致谢