專利名稱：采用線光源的光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
采用線光源的光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量方法與裝置屬于以采用光學(xué)方法為特征的計(jì)量設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種以線光源為目標(biāo)，在頻域利用線光源像來(lái)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的方法與裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率是醫(yī)學(xué)以及精密測(cè)量領(lǐng)域中非常重要的參數(shù)，它不僅標(biāo)明光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，同樣可以利用這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)開(kāi)展其它參數(shù)的精密測(cè)量。然而，如何獲得一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大率，是開(kāi)展這項(xiàng)工作的首要問(wèn)題。—、光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量方法問(wèn)題1987年07月，《醫(yī)學(xué)物理》發(fā)表文章《論顯微鏡中物鏡的放大率》，發(fā)現(xiàn)了顯微鏡中物鏡的橫向放大率經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的矛盾，該文章雖然沒(méi)有給出物鏡橫向放大率的測(cè)量方法，但是該矛盾卻引出了光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的測(cè)量問(wèn)題。而后續(xù)的一些文章，均顯現(xiàn)出光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量的必要性。1999年03月，《黃山高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)》第I卷第2期發(fā)表文章《關(guān)于幾何光學(xué)中橫向放大率的討論》，該文章討論了光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，該方法的適用條件是近軸條件下的理想光學(xué)系統(tǒng)成像，而當(dāng)這些條件不滿足時(shí)，本文所總結(jié)的公式與實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率之間的誤差卻沒(méi)有說(shuō)明，更缺少對(duì)于這種誤差，如何測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率方法的說(shuō)明。2000年05月，《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》第2期發(fā)表文章《關(guān)于理想光具組橫向放大率曲線的分析與運(yùn)用》，本文根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的定義總結(jié)出理想光具組橫向放大率的計(jì)算公式，并繪制出橫向放大率-物距像距曲線，該方法適用的條件仍然是理想光學(xué)系統(tǒng)近軸光線，而對(duì)于非理想條件下，經(jīng)驗(yàn)公式中指出的橫向放大率與實(shí)際橫向放大率之間的誤差卻沒(méi)有說(shuō)明，更說(shuō)明了測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率方法的必要性。2002年06月，《江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué))》第23卷第3期發(fā)表文章《用位相變換函數(shù)導(dǎo)出傍軸條件下透鏡的物像距公式和橫向放大率公式》，該文章以傅里葉光學(xué)為基礎(chǔ)，利用透鏡的相位變換作用推導(dǎo)出了傍軸條件下的物像距離公式以及光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率公式，然而，這篇文章的適用條件仍然是傍軸近似條件下的理想光學(xué)系統(tǒng)成像，同樣具有同之前兩篇文章相同的問(wèn)題。因?yàn)榇嬖诠鈱W(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量的迫切需求，所以在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和精密測(cè)量等領(lǐng)域，均有學(xué)者提出自己的測(cè)量方法。2010年09月，《醫(yī)學(xué)影像技術(shù)》第26卷增刊I發(fā)表文章《數(shù)字X線機(jī)固有放大率的測(cè)定》提供了一種放大率的測(cè)定方法，這種測(cè)定方法首先將小鋼球固定在X線探測(cè)器上，攝片后用機(jī)器自帶的標(biāo)尺測(cè)出小球投影的直徑；打印出照片，在閱片燈下用分規(guī)量好照片上投影的鋼球直徑，并用游標(biāo)卡尺精確測(cè)出其數(shù)據(jù)，對(duì)比兩組數(shù)據(jù)有誤差異。同樣用游標(biāo)卡尺測(cè)出相應(yīng)鋼球的實(shí)際直徑，可得出兩直徑之比，即X線影線放大率。由于該文章并非由精密測(cè)量領(lǐng)域人員所寫(xiě)，所以文章所采用的測(cè)量方法比較古老，沿用的是標(biāo)尺測(cè)量物高，這種標(biāo)尺測(cè)量具有一定的主觀性，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。2003年09月，《河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)》第17卷第3期發(fā)表文章《比較板法測(cè)望遠(yuǎn)鏡放大率》，該文章介紹了一種光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的新方法，這種方法與現(xiàn)行的普通物理實(shí)驗(yàn)所用方法相比，不僅原理簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，而且更具操作性。然而這種方法任然沒(méi)有擺脫傳統(tǒng)方法的束縛，對(duì)像高的判斷仍然沿用刻度尺讀取目標(biāo)長(zhǎng)度的方法，因此同樣具有主觀性的問(wèn)題。然而，這個(gè)問(wèn)題隨著CCD的迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用到精密測(cè)量領(lǐng)域而解決，同時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的測(cè)量精度也相應(yīng)得到了提高。1998年06月，《光電工程》第25卷第3期發(fā)表文章《(XD測(cè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)放大率》，該文章介紹的方法原理簡(jiǎn)單，直接利用像高物高比來(lái)測(cè)定望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率，該文章所介紹的方法與傳統(tǒng)方法相比，像高不再采用標(biāo)尺進(jìn)行測(cè)量，而是通過(guò)刻線所占CCD像素個(gè)數(shù)與像素間距的乘積來(lái)判斷，這種方法減少了測(cè)量過(guò)程中的主觀因素，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。2002年03月，《物理實(shí)驗(yàn)》第22卷第3期發(fā)表文章《橫向放大率法確定復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)》，2006年08月，《大學(xué)物理》第25卷第8期發(fā)表文章《橫向放大率法測(cè)定光具組的基點(diǎn)》，這兩篇文章將橫向放大率擴(kuò)展到了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，用它來(lái)確定復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)，并得出重要結(jié)論，基點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的函數(shù)。這個(gè)結(jié)論說(shuō)明基點(diǎn)確定的準(zhǔn)確與否直接與光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的準(zhǔn)確程度相關(guān)，因此，有必要精確測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率。而本文仍然沿用橫向放大率的定義，即像高與物高比值進(jìn)行測(cè)量，其中，像高的測(cè)量仍然沿用上一篇文章的測(cè)量原理，根據(jù)雙縫所橫跨的像素個(gè)數(shù)與像素間距的乘積來(lái)確定。對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方法的陳述可以總結(jié)出以下結(jié)論，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的測(cè)量問(wèn)題，無(wú)非是采用兩種方法1)利用光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的定義，即像高和物高的比值來(lái)直接測(cè)量；2)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率與某圖像高度在特定光學(xué)系統(tǒng)中的特定關(guān)系，通過(guò)圖像高度的獲取實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的間接測(cè)量。無(wú)論是哪一種方法，均需要對(duì)像高進(jìn)行判斷，而現(xiàn)階段的判斷方法具有相同的技術(shù)特征利用圖像所橫跨像素的個(gè)數(shù)與像素間距的乘積得到圖像的高度信息。雖然該技術(shù)特征可以避免傳統(tǒng)方法中用刻度尺測(cè)量像高的過(guò)程中的主觀因素，但是這種方法也有自身的問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)于像素個(gè)數(shù)的判斷，只能是整數(shù)判斷，每一側(cè)的判斷最多存在±0.5個(gè)像素的誤差，兩個(gè)邊緣就可能存在± I個(gè)像素的誤差，圖像的尺寸越小，誤差就會(huì)越大。雖然在理論上可以增大線光源的長(zhǎng)度，通過(guò)用更多的像素來(lái)均攤誤差得到彌補(bǔ)，但是對(duì)于大畸變光學(xué)系統(tǒng)，即不同視場(chǎng)下放大倍率不同的光學(xué)系統(tǒng)，增大線光源的長(zhǎng)度同樣會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題I)增大目標(biāo)尺寸，可能會(huì)使圖像在長(zhǎng)度上發(fā)生嚴(yán)重形變，這種情況下，不僅不能均攤誤差，反而會(huì)使像素個(gè)數(shù)的判斷誤差更大，因此對(duì)于大畸變光學(xué)系統(tǒng)，該方法不適合在大視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量；2)針對(duì)大畸變光學(xué)系統(tǒng),理應(yīng)在每一個(gè)小視場(chǎng)范圍內(nèi)，精確測(cè)量該視場(chǎng)范圍下的橫向放大率，最終得到不同視場(chǎng)下的橫向放大率曲線，但由于背景技術(shù)所采用的測(cè)量方法在小視場(chǎng)范圍內(nèi)單次測(cè)量結(jié)果之間誤差較大，因此大畸變光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量重復(fù)性低。二、光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量裝置問(wèn)題 國(guó)際專利分類號(hào)G01M11/02光學(xué)性質(zhì)的測(cè)試領(lǐng)域，有兩項(xiàng)發(fā)明專利公開(kāi)了動(dòng)像調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置的組成專利號(hào)ZL200810137150. 1，授權(quán)公告日2010年09月29日，發(fā)明專利《動(dòng)態(tài)目標(biāo)
調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量方法與裝置》，公開(kāi)了一種高精度多功能的動(dòng)像調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置，該裝置中也具有光源、光學(xué)系統(tǒng)以及圖像傳感器的結(jié)構(gòu)，并且同樣是光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像到圖像傳感器表面。專利號(hào)ZL201010252619. 3，授權(quán)公告日2012年01月11日，發(fā)明專利《動(dòng)像調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置》，在上一個(gè)專利所公開(kāi)裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步限定了裝置中光學(xué)鏡頭的耦合方式以及測(cè)量的同步方式。但是這兩項(xiàng)發(fā)明的特點(diǎn)是光源的運(yùn)動(dòng)軌跡是垂直于光軸的直線，對(duì)于有場(chǎng)曲的光學(xué)系統(tǒng)，光源運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，必然會(huì)造成圖像的離焦，如果將這兩項(xiàng)發(fā)明所公開(kāi)的測(cè)量裝置直接應(yīng)用到本發(fā)明中，無(wú)法克服離焦造成的圖像模糊問(wèn)題以及圖像灰度值變化問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)造成截止頻率位置上的偏移，使測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對(duì)上述現(xiàn)有測(cè)量方法針對(duì)大畸變光學(xué)系統(tǒng)，不適合大視場(chǎng)范圍內(nèi)測(cè)量，而在小視場(chǎng)范圍內(nèi)，又存在橫向放大率測(cè)量重復(fù)性低的問(wèn)題，以及現(xiàn)有測(cè)量裝置存在離焦的問(wèn)題，提出了一種光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率的測(cè)量方法與裝置，該方法可以在小視場(chǎng)范圍內(nèi)提高測(cè)量結(jié)果重復(fù)性，更適合測(cè)量大畸變光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率；該裝置可以消除離焦對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，進(jìn)一步提高測(cè)量結(jié)果重復(fù)性。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的采用線光源的光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量方法，步驟如下a、在物方放置長(zhǎng)度為d的線光源，方向與圖像傳感器的行或列方向平行；b、圖像傳感器對(duì)線光源成像，得到初始點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像；保持圖像傳感器曝光時(shí)間不變，移除線光源，圖像傳感器對(duì)背景成像，得到干擾圖像，并將干擾圖像中灰度值的最大值作為閾值；c.將第b步得到的初始點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像中，線光源像所在行或列的整行或整列信息提取出來(lái)，作為初始線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該初始線擴(kuò)展函數(shù)圖像具有η個(gè)元素；并將這η個(gè)元素中灰度值小于第b步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到修正線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該修正線擴(kuò)展函數(shù)圖象具有η個(gè)元素；或者將第b步得到的初始點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像中，灰度值小于第b步所得閾值的像素的灰度值修正為0，作為修正點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像；并將修正點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像中，線光源像所在行或列的整行或整列信息提取出來(lái)，得到修正線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該修正線擴(kuò)展函數(shù)圖象具有η個(gè)元素；
d.對(duì)第c步得到的修正線擴(kuò)展函數(shù)圖像進(jìn)行離散傅里葉變換并取模，得到調(diào)制傳遞函數(shù)圖像，該調(diào)制傳遞函數(shù)圖像具有同第c步得到的修正線擴(kuò)展函數(shù)圖像相同的元素個(gè)
數(shù)n，即η個(gè)離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為MpMpM2.....Mlri，在該順
序下，調(diào)制傳遞函數(shù)值第一次達(dá)到極小值所對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值為Mi,其下腳標(biāo)序號(hào)為i，結(jié)合圖像傳感器的像素間距1，得到Mh和Mi+1所對(duì)應(yīng)的空間頻率值分別為fmin= (i-1)/(nl)以及 fmax = (i+1)/(nl)；e.根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)模型MTF(f) = sin c ( π fd/ ) I ,結(jié)合第d步得到的空間頻率范圍^ 和fmax，得到線光源像長(zhǎng)度取值范圍= l/fmin = nl/(i-1)以及(Imin'=
l/fmax = nl/(i+l)；
f.根據(jù)第a步線光源長(zhǎng)度d和第e步得到的線光源像長(zhǎng)度取值范圍，計(jì)算得到光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率取值范圍為β min = dmin' /d = nl/((i+l)d)以及= (Imax' /d =nl/((i-l)d)；g.將β為變量，并以第f步得到的i3min和為取值范圍，在第d步得到的η個(gè)調(diào)制傳遞函數(shù)值中選取K個(gè)作為對(duì)比數(shù)據(jù)，這K個(gè)調(diào)制傳遞函數(shù)值分別是MK1、Mk2.....
Mffi，采用遺傳算法尋找到以下公式的最小值
權(quán)利要求
1.采用線光源的光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量方法，其特征在于所述方法步驟如下 a.在物方放置長(zhǎng)度為d的線光源，方向與圖像傳感器的行或列方向平行； b.圖像傳感器對(duì)線光源成像，得到初始點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像；保持圖像傳感器曝光時(shí)間不變，移除線光源，圖像傳感器對(duì)背景成像，得到干擾圖像，并將干擾圖像中灰度值的最大值作為閾值； c.將第b步得到的初始點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像中，線光源像所在行或列的整行或整列信息提取出來(lái)，作為初始線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該初始線擴(kuò)展函數(shù)圖像具有η個(gè)元素；并將這η個(gè)元素中灰度值小于第b步所得閾值的像素的灰度值修正為O，得到修正線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該修正線擴(kuò)展函數(shù)圖象具有η個(gè)元素； 或者 將第b步得到的初始點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像中，灰度值小于第b步所得閾值的像素的灰度值修正為O，作為修正點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像；并將修正點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像中，線光源像所在行或列的整行或整列信息提取出來(lái)，得到修正線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該修正線擴(kuò)展函數(shù)圖象具有η個(gè)元素； d.對(duì)第c步得到的修正線擴(kuò)展函數(shù)圖像進(jìn)行離散傅里葉變換并取模，得到調(diào)制傳遞函數(shù)圖像，該調(diào)制傳遞函數(shù)圖像具有同第c步得到的修正線擴(kuò)展函數(shù)圖像相同的元素個(gè)數(shù)n，即η個(gè)離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為凡為為.....ΜΝ_1;在該順序下，調(diào)制傳遞函數(shù)值第一次達(dá)到極小值所對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值為Mi,其下腳標(biāo)序號(hào)為i，結(jié)合圖像傳感器的像素間距1，得到Mp1和Mi+1所對(duì)應(yīng)的空間頻率值分別為fmin = (i-l)/(nl)以及 fmax = (i+1)/(nl)； e.根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)模型MTF(f) = IsincOfcT ) I,結(jié)合第d步得到的空間頻率范圍fmin和fmax，得到線光源像長(zhǎng)度取值范圍C = l/fmim = nl/(i-ι)以及(Γ min/ = I/fmax = nl/(i + l)； f.根據(jù)第a步線光源長(zhǎng)度d和第e步得到的線光源像長(zhǎng)度取值范圍，計(jì)算得到光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率取值范圍為@min = dmin' /d = nl/((i+l)d)以及= U /d = nl/((i-1) d)； g.將β為變量，并以第f步得到的Pmin和為取值范圍，在第d步得到的η個(gè)調(diào)制傳遞函數(shù)值中選取K個(gè)作為對(duì)比數(shù)據(jù)，這K個(gè)調(diào)制傳遞函數(shù)值分別是MK1、MK2.....Mkk，采 用遺傳算法尋找到以下公式的最小
2.采用線光源的光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量裝置，包括線光源(I)、光學(xué)系統(tǒng)(2)、圖像傳感器(3)，所述的線光源(I)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)(2)成像到圖像傳感器(3)表面，其特征在于在該裝置光軸方向與圖像傳感器(3)行或列方向所確定的平面內(nèi)，線光源(I)呈彎曲狀，且所述的線光源(I)上任意位置都準(zhǔn)焦成像到圖像傳感器(3)表面。
全文摘要
采用線光源的光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率測(cè)量方法與裝置屬于以采用光學(xué)方法為特征的計(jì)量設(shè)備領(lǐng)域；本方法是以線光源為目標(biāo)得到線狀圖像，在頻域中尋找像素間距的取值范圍，并根據(jù)與像素間距相關(guān)的實(shí)際調(diào)制傳遞函數(shù)曲線與理論調(diào)制傳遞函數(shù)曲線在最小二乘條件下重合度最好，利用遺傳算法計(jì)算得到光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率；本裝置在該裝置光軸方向與圖像傳感器行或列方向所確定的平面內(nèi)，線光源呈彎曲狀，且所述的線光源上任意位置都準(zhǔn)焦成像到圖像傳感器表面；采用本發(fā)明測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率，有利于減小單次測(cè)量結(jié)果之間的誤差，進(jìn)而提高測(cè)量結(jié)果重復(fù)性。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102620914SQ20121008506
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月17日
發(fā)明者劉儉, 譚久彬, 趙煙橋 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)