採用點目標像拼合的光學系統橫向放大率測量方法與裝置的製作方法

2023-09-15 06:41:00

專利名稱：採用點目標像拼合的光學系統橫向放大率測量方法與裝置的製作方法
技術領域：
採用點目標像拼合的光學系統橫向放大率測量方法與裝置屬於以採用光學方法為特徵的計量設備領域，尤其涉及ー種以靜態點光源為目標，在頻域利用兩幀靜態點目標圖像來測量光學系統橫向放大率的方法與裝置。
背景技術：
光學系統橫向放大率是醫學以及精密測量領域中非常重要的參數，它不僅標明光學系統的技術指標，同樣可以利用這項技術指標開展其它參數的精密測量。然而，如何獲得ー個光學系統的橫向放大率，是開展這項工作的首要問題。—、光學系統橫向放大率測量方法問題1987年07月，《醫學物理》發表文章《論顯微鏡中物鏡的放大率》，發現了顯微鏡中物鏡的橫向放大率經驗公式與實際測量過程中產生的矛盾，該文章雖然沒有給出物鏡橫向放大率的測量方法，但是該矛盾卻引出了光學系統橫向放大率的測量問題。而後續的一些文章，均顯現出光學系統橫向放大率測量的必要性。1999年03月，《黃山高等專科學校學報》第I卷第2期發表文章《關於幾何光學中橫向放大率的討論》，該文章討論了光學系統橫向放大率的數學表達式，該方法的適用條件是近軸條件下的理想光學系統成像，而當這些條件不滿足時，本文所總結的公式與實際光學系統橫向放大率之間的誤差卻沒有說明，更缺少對於這種誤差，如何測量光學系統橫向放大率方法的說明。2000年05月，《華南師範大學學報(自然科學版)》第2期發表文章《關於理想光具組橫向放大率曲線的分析與運用》，本文根據光學系統橫向放大率的定義總結出理想光具組橫向放大率的計算公式，並繪製出橫向放大率-物距像距曲線，該方法適用的條件仍然是理想光學系統近軸光線，而對於非理想條件下，經驗公式中指出的橫向放大率與實際橫向放大率之間的誤差卻沒有說明，更說明了測量光學系統橫向放大率方法的必要性。2002年06月，《江西教育學院學報(自然科學)》第23卷第3期發表文章《用位相變換函數導出傍軸條件下透鏡的物像距公式和橫向放大率公式》，該文章以傅立葉光學為基礎，利用透鏡的相位變換作用推導出了傍軸條件下的物像距離公式以及光學系統橫向放大率公式，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系統成像，同樣具有同之前兩篇文章相同的問題。因為存在光學系統橫向放大率測量的迫切需求，所以在醫學領域和精密測量等領域，均有學者提出自己的測量方法。2010年09月，《醫學影像技木》第26卷增刊I發表文章《數字X線機固有放大率的測定》提供了一种放大率的測定方法，這種測定方法首先將小鋼球固定在X線探測器上，攝片後用機器自帶的標尺測出小球投影的直徑；列印出照片，在閱片燈下用分規量好照片上投影的鋼球直徑，並用遊標卡尺精確測出其數據，對比兩組數據有誤差異。同樣用遊標卡尺測出相應鋼球的實際直徑，可得出兩直徑之比，即X線影線放大率。由於該文章並非由精密測量領域人員所寫，所以文章所採用的測量方法比較古老，沿用的是標尺測量物高，這種標尺測量具有一定的主觀性，對測量結果影響較大。2003年09月，《河北職業技術師範學院學報》第17卷第3期發表文章《比較板法測望遠鏡放大率》，該文章介紹了ー種光學系統橫向放大率的新方法，這種方法與現行的普通物理實驗所用方法相比，不僅原理簡單、數據準確，而且更具操作性。然而這種方法任然沒有擺脫傳統方法的束縛，對像高的判斷仍然沿用刻度尺讀取目標長度的方法，因此同樣具有主觀性的問題然而，這個問題隨著CCD的迅速發展並廣泛應用到精密測量領域而解決，同時，光學系統橫向放大率的測量精度也相應得到了提高。1998年06月，《光電工程》第25卷第3期發表文章《(XD測望遠系統放大率》，該文章介紹的方法原理簡單，直接利用像高物高比來測定望遠系統的放大率，該文章所介紹的方法與傳統方法相比，像高不再採用標尺進行測量，而是通過刻線所佔CCD像素個數與像素間距的乘積來判斷，這種方法減少了測量過程中的主觀因素，使測量結果更加準確。2002年03月，《物理實驗》第22卷第3期發表文章《橫向放大率法確定複合光學系統的基點》，2006年08月，《大學物理》第25卷第8期發表文章《橫向放大率法測定光具組的基點》，這兩篇文章將橫向放大率擴展到了一個新的應用領域，用它來確定複合光學系統的基點，並得出重要結論，基點是光學系統橫向放大率的函數。這個結論說明基點確定的準確與否直接與光學系統橫向放大率的準確程度相關，因此，有必要精確測量光學系統橫向放大率。而本文仍然沿用橫向放大率的定義，即像高與物高比值進行測量，其中，像高的測量仍然沿用上ー篇文章的測量原理，根據雙縫所橫跨的像素個數與像素間距的乘積來確定。對現有技術方法的陳述可以總結出以下結論，對於光學系統橫向放大率的測量問題，無非是採用兩種方法I)利用光學系統橫向放大率的定義，即像高和物高的比值來直接測量；2)根據光學系統橫向放大率與某圖像高度在特定光學系統中的特定關係，通過圖像高度的獲取實現對光學系統橫向放大率的間接測量。無論是哪ー種方法，均需要對像高進行判斷，而現階段的判斷方法具有相同的技術特徵利用圖像所橫跨像素的個數與像素間距的乘積得到圖像的高度信息。雖然該技術特徵可以避免傳統方法中用刻度尺測量像高的過程中的主觀因素，但是這種方法也有自身的問題，因為對於像素個數的判斷，只能是整數判斷，每ー側的判斷最多存在±0.5個像素的誤差，兩個邊緣就可能存在± I個像素的誤差，圖像的尺寸越小，誤差就會越大。雖然在理論上可以增大線光源的長度，通過用更多的像素來均攤誤差得到彌ネト，但是對於大畸變光學系統，即不同視場下放大倍率不同的光學系統，増大線光源的長度同樣會帶來新的問題I)增大目標尺寸，可能會使圖像在長度上發生嚴重形變，這種情況下，不僅不能均攤誤差，反而會使像素個數的判斷誤差更大，因此對於大畸變光學系統，該方法不適合在大視場範圍內進行測量；2)針對大畸變光學系統,理應在姆一個小視場範圍內，精確測量該視場範圍下的橫向放大率，最終得到不同視場下的橫向放大率曲線，但由於背景技術所採用的測量方法在小視場範圍內單次測量結果之間誤差較大，因此大畸變光學系統橫向放大率測量重複性低。ニ、光學系統橫向放大率測量裝置問題 國際專利分類號GOlM 11/02光學性質的測試領域，有兩項發明專利公開了動像調製傳遞函數測量裝置的組成專利號ZL200810137150. 1，授權公告日2010年09月29日，發明專利《動態目標
調製傳遞函數測量方法與裝置》，公開了ー種高精度多功能的動像調製傳遞函數測量裝置，該裝置中也具有光源、光學系統以及圖像傳感器的結構，並且同樣是光源經過光學系統成像到圖像傳感器表面。專利號ZL201010252619. 3，授權公告日2012年01月11日，發明專利《動像調製傳遞函數測量裝置》，在上一個專利所公開裝置的基礎上，進ー步限定了裝置中光學鏡頭的耦合方式以及測量的同步方式。但是這兩項發明的特點是光源的運動軌跡是垂直於光軸的直線，對於有場曲的光學系統，光源運動的過程中，必然會造成圖像的離焦，如果將這兩項發明所公開的測量裝置直接應用到本發明中，無法克服離焦造成的圖像模糊問題以及圖像灰度值變化問題，該問題會造成截止頻率位置上的偏移，使測量結果的準確性受到影響。

發明內容
本發明就是針對上述現有測量方法針對大畸變光學系統，不適合大視場範圍內測量，而在小視場範圍內，又存在橫向放大率測量重複性低的問題，以及現有測量裝置存在離焦的問題，提出了ー種光學系統橫向放大率的測量方法與裝置，該方法可以在小視場範圍內提高測量結果重複性，更適合測量大畸變光學系統橫向放大率；該裝置可以消除離焦對測量結果的影響，進ー步提高測量結果重複性。本發明的目的是這樣實現的採用點目標像拼合的光學系統橫向放大率測量方法，步驟如下a.圖像傳感器對靜態點目標第一次成像，得到第一幀初始靜態點目標圖像，並提取點目標像所在像素坐標位置(Xpy1)；b.使點目標沿圖像傳感器行或列方向運動,位移量為d,之後保持點目標為靜止狀態；c.保持圖像傳感器曝光時間不變，圖像傳感器對靜態點目標第二次成像，得到第ニ中貞初始靜態點目標圖像，並提取點目標像所在像素坐標位置(x2，y2)；d.移除點目標並保持圖像傳感器曝光時間不變，圖像傳感器對背景成像，得到幹擾圖像，並將幹擾圖像中灰度值的最大值作為閾值；e.第a步得到的第一幀初始靜態點目標圖像，將灰度值小於第d步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到第一幀修正靜態點目標圖像；第c步得到的第二幀初始靜態點目標圖像，將灰度值小於第d步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到第二幀修正靜態點目標圖像；將第一幀修正靜態點目標圖像和第二幀修正靜態點目標圖像相疊加，疊加後新圖像中兩個點目標像所在行或列的所有像素灰度值相加並除以2，得到新灰度值；並將第a步得到的像素坐標位置(Xl，Y1)和第C步得到的像素坐標位置(X2，I2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構造點擴展函數圖像；或者
將第a步得到的第一幀初始靜態點目標圖像和第c步得到的第二幀初始靜態點目標圖像相疊加，並將疊加後圖像中灰度值小於第d步所得閾值2倍的像素的灰度值修正為0，得到修正疊加圖像；將修正疊加圖像中兩個點目標像所在行或列的所有像素灰度值相加並除以2，得到新灰度值；並將第a步得到的像素坐標位置(Xl，Y1)和第c步得到的像素坐標位置(x2，I2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構造點擴展函數圖像；f.第e步得到的構造點擴展函數圖像，將線狀光斑所在行或列的整行或整列信息提取出來，作為構造線擴展函數圖像，該構造線擴展函數圖像具有η個元素；g.對第f步得到的構造線擴展函數圖像進行離散傅立葉變換並取模，得到調製傳遞函數圖像，該調製傳遞函數圖像具有同第f步得到的構造線擴展函數圖像相同的元素個
數n，即η個離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為MpMpM2.....Mlri，在該順
序下，調製傳遞函數值第一次達到極小值所對應的調製傳遞函數值為Mi,其下腳標序號為i，結合圖像傳感器的像素間距1，得到Mh和Mi+1所對應的空間頻率值分別為fmin= (i-1)/(nl)以及 fmax = (i+1)/(nl)；h.根據調製傳遞函數模型MTF (f) = I sine ( n fd/ ) | ,結合第g步得到的空間頻率範圍fmin和fmax，得到線狀光斑長度取值範圍
權利要求
1.採用點目標像拼合的光學系統橫向放大率測量方法，其特徵在於所述方法步驟如下 a.圖像傳感器對靜態點目標第一次成像，得到第一幀初始靜態點目標圖像，並提取點目標像所在像素坐標位置Upy1)；b.使點目標沿圖像傳感器行或列方向運動，位移量為d，之後保持點目標為靜止狀態； c.保持圖像傳感器曝光時間不變，圖像傳感器對靜態點目標第二次成像，得到第二幀初始靜態點目標圖像，並提取點目標像所在像素坐標位置(x2，y2)； d.移除點目標並保持圖像傳感器曝光時間不變，圖像傳感器對背景成像，得到幹擾圖像，並將幹擾圖像中灰度值的最大值作為閾值； e.第a步得到的第一幀初始靜態點目標圖像，將灰度值小於第d步所得閾值的像素的灰度值修正為O，得到第一幀修正靜態點目標圖像；第c步得到的第二幀初始靜態點目標圖像，將灰度值小於第d步所得閾值的像素的灰度值修正為O，得到第二幀修正靜態點目標圖像；將第一幀修正靜態點目標圖像和第二幀修正靜態點目標圖像相疊加，疊加後新圖像中兩個點目標像所在行或列的所有像素灰度值相加並除以2，得到新灰度值；並將第a步得到的像素坐標位置(Xl，Y1)和第c步得到的像素坐標位置(x2，I2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構造點擴展函數圖像； 或者 將第a步得到的第一幀初始靜態點目標圖像和第c步得到的第二幀初始靜態點目標圖像相疊加，並將疊加後圖像中灰度值小於第d步所得閾值2倍的像素的灰度值修正為O，得到修正疊加圖像；將修正疊加圖像中兩個點目標像所在行或列的所有像素灰度值相加並除以2，得到新灰度值；並將第a步得到的像素坐標位置(Xl，Y1)和第c步得到的像素坐標位置(x2，I2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構造點擴展函數圖像； f.第e步得到的構造點擴展函數圖像，將線狀光斑所在行或列的整行或整列信息提取出來，作為構造線擴展函數圖像，該構造線擴展函數圖像具有η個元素； g.對第f步得到的構造線擴展函數圖像進行離散傅立葉變換並取模，得到調製傳遞函數圖像，該調製傳遞函數圖像具有同第f步得到的構造線擴展函數圖像相同的元素個數n，即η個離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為凡為為.....Mlri，在該順序下，調製傳遞函數值第一次達到極小值所對應的調製傳遞函數值為Mi,其下腳標序號為i，結合圖像傳感器的像素間距1，得到Mh和Mi+1所對應的空間頻率值分別為fmin = (i-l)/(nl)以及 fmax = (i+1)/(nl)； h.根據調製傳遞函數模型MTF(f) = IsincOfcT ) I,結合第g步得到的空間頻率範圍fmm和fmax，得到線狀光斑長度取值範圍dmax' = l/fmin = nl/(i-1)以及dmin/ = 1/f—=nl/(i+1)； i.根據第b步點目標位移量d和第h步得到的線狀光斑長度取值範圍，計算得到光學系統橫向放大率取值範圍為β min = dmin' /d = nl/((i+l)d)以及βΜΧ = (Imax' /d = nl/((i-1) d)； j.將β為變量，並以第i步得到的Pmin和為取值範圍，在第g步得到的η個調製傳遞函數值中選取K個作為對比數據，這K個調製傳遞函數值分別是MK1、MK2.....Mkk，採用遺傳算法尋找到以下公式的最小值
2.採用點目標像拼合的光學系統橫向放大率測量裝置，包括點目標(I)、光學系統(2)、圖像傳感器(3)、滑塊(4)以及垂直光軸方向的第一導軌(5)，所述的點目標⑴經過光學系統(2)成像到圖像傳感器(3)表面；其特徵在於該裝置還包括沿光軸方向的第二導軌(6)，承載點目標(I)的滑塊(4)安裝在第一導軌(5)和第二導軌(6)上，滑塊(4)在第一導軌(5)上的運動與滑塊(4)在第二導軌(6)上的運動相配合，使點目標(I)在任意視場位置都準焦成像到圖像傳感器(3)表面。
全文摘要
採用點目標像拼合的光學系統橫向放大率測量方法與裝置屬於以採用光學方法為特徵的計量設備領域；本方法使點目標處於不同視場下並對其兩次成像，根據兩幅點目標像構造出線狀圖像，在頻域中尋找像素間距的取值範圍，並根據與像素間距相關的實際調製傳遞函數曲線與理論調製傳遞函數曲線在最小二乘條件下重合度最好，利用遺傳算法計算得到光學系統橫向放大率；本裝置中承載點目標的滑塊安裝在第一導軌和第二導軌上，滑塊在第一導軌上的運動與滑塊在第二導軌上的運動相配合，使點目標在任意視場位置都準焦成像到圖像傳感器表面；採用本發明測量光學系統橫向放大率，有利於減小單次測量結果之間的誤差，進而提高測量結果重複性。
文檔編號G01M11/02GK102620911SQ201210085018
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月17日 優先權日2012年3月17日
發明者劉儉, 譚久彬, 趙煙橋 申請人:哈爾濱工業大學