可见光成像系统成像质量评价指标的测量技术研究

摘要

在可见光范围内，光学传感器和光学系统都很成熟，可以研制出灵敏度和分辨力很高的探测系统，所以在航天型号中大量使用可见光成像探测系统。但现在普遍的问题是相应的可见光成像系统成像质量评价指标不全面以及相应成像质量评价指标的检测设备还跟不上，因此可见光成像系统成像质量评价指标的测量技术研究具有重要的现实意义。 在光学系统中广泛采用调制传递函数(MTF-ModulationTransferFounction)来评价可见光成像系统的成像质量，MTF反映了成像系统对不同空间频率的分辨能力。近些年来在可见光成像系统的成像质量评价中引入了最小可分辨对比度(MRC-MinimumResolvableContrast)这个评价指标，它可以反映可见光成像系统对细节分辨的灵敏程度，而且MRC的数据获取简单，因此测量可见光成像系统的MTF和MRC这两个参数，就可以全面、快速地评价可见光成像系统在各种条件下的成像质量。 目前国内MRC测量方面的研究仍是空白，更谈不上可集MTF和MRC测量为一体的装置，基于此，本文在可见光成像系统成像质量评价指标的测量技术研究领域做了如下工作： 1.提出了利用两个重叠的积分球实现测试图案可调对比度的方法。在测量MTF和MRC时需提供成像系统一定对比度的测试图案，本文将测试图案置于两个近乎重叠的积分球中间，使两个积分球分别照明测试图案的正面和反面，通过控制进入两个积分球的光通量达到调节测试图案正反两面亮度的目的。这种实现可调对比度的方法可以做到测试图案的目标亮度和背景亮度单独调节且精确控制。 2.MTF和MRC测量装置的研制。利用重叠积分球法实现测试图案可调对比度，研制了集MTF和MRC测量为一体的成像质量指标测量装置。研制了汇集MTF和MRC测量用的图案于其上的靶标轮，配合相应的控制系统可提供测量所需要的不同测试图案；制作了新颖的衰减片，通过设计的拖动系统带动转动，达到调节进入积分球光通量的目的；设计了亮度采集系统，保证了测试图案目标亮度和背景亮度的实时采集和显示。 3.对不同成像质量的两种CCD相机的MTF和MRC进行了实验研究。采用狭缝法和点光源法，测量了两种CCD相机在不同对比度下的MTF，并将测量结果进行了比较。同时也测量了两种CCD相机的MRC，分析并计算了测量MRC的不确定度，得出了测量MRC的扩展不确定度小于3％。 4.CCD相机亮度-灰度模型的建立。在测试图案不同对比度下，用CCD相机拍摄测试图案，并记下相应测试图案的目标亮度和背景亮度；通过图像处理技术获取每个图像的目标灰度值和背景灰度值。基于这些亮度值和灰度值用曲线拟合方法建立该相机的亮度-灰度数学模型。文中建立了Sony500万像素相机和Canon380万像素相机亮度-灰度模型。 5.客观测量MRC方法的提出与实现。通过CCD相机MRC的实验研究，得出了MRC的测量依赖于人的观察和判断，为了能够客观、自动地测量MRC，提出了基于人眼视觉模型的客观测量MRC的方法，并加以实现。利用此方法对Sony500万像素相机的MRC进行了测量。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题的来源、目的和意义

1.2成像质量评价指标的研究现状

1.2.1分辨力

1.2.2星点检验

1.2.3光学传递函数(OTF)

1.2.4最小可分辨对比度(MRC)

1.3 MTF测量技术的研究现状

1.3.1靶标输入法

1.3.2无靶标输入法

1.4 MRC测量技术的研究现状

1.4.1测试图案

1.4.2测试图案对比度的获取

1.5本论文的主要研究内容

第2章MTF和MRC测量技术研究

2.1光学传递函数测量基础

2.1.1线性条件和空间不变性条件

2.1.2光学传递函数的定义

2.2 MTF用于成像质量评价

2.3测量MTF原理

2.3.1点光源法测量MTF的原理

2.3.2狭缝法测量MTF的原理

2.3.3刀口法测量MTF的原理

2.4 MRC测量技术

2.4.1测量MRC原理

2.4.2测量MRC方法

2.4.3重叠积分球法提出及实现

2.5本章小结

第3章MTF和MRC测量装置的研制

3.1总体方案的确定

3.1.1技术性能指标的提出

3.1.2装置总体方案的设计

3.2靶标照明及成像系统的设计

3.2.1照明系统的设计

3.2.2靶标成像系统

3.3靶标轮的研制

3.4亮度检测系统设计

3.4.1总体设计

3.4.2光电探测器的选取

3.4.3前置放大电路的设计

3.4.4数据采集及处理系统

3.5控制系统设计

3.5.1硬件组成

3.5.2衰减片的制作

3.5.3步进电动机的控制

3.6软件设计

3.7本章小结

第4章MTF和MRC测量实验的研究

4.1亮度的标定

4.1.1目标亮度标定

4.1.2背景亮度标定

4.2光源温度测试

4.3积分球亮度测试

4.4 CCD相机的MRC测量

4.4.1测量方法及测量结果

4.4.2 MRC测量的不确定度分析

4.5 CCD相机的MTF测量

4.5.1狭缝法测量结果

4.5.2点光源法测量结果

4.5.3两种方法测量结果比较及分析

4.6本章小结

第5章客观测量MRC方法的研究

5.1引言

5.2相机亮度-灰度模型的建立

5.2.1图像灰度值的采集

5.2.2数据比较及分析

5.2.3相机亮度-灰度模型的建立

5.3人眼视觉模型

5.3.1人眼视觉特性

5.3.2人眼视觉特性研究进展

5.3.3几种典型的视觉模型

5.4基于视觉模型的客观测量MRC方法的研究

5.4.1基于视觉模型的测量MRC的方法和步骤

5.4.2测量结果及分析

5.5本章小结

结论

参考文献

附录1

附录2

附录3

附录4

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历