一种EMCCD组件的调制传递函数测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及EMCCD技术领域，具体地涉及一种EMCCD组件的调制传递函数测试系统及测试方法。

背景技术

EMCCD即电子倍增CCD，是探测领域内灵敏度极高的一种高端光电探测产品。EMCCD是通过在信号转移水平路径上设计级联的倍增移位寄存器实现信号电荷的可控雪崩增益，实现CCD电荷倍增的功能。

光电成像系统的成像质量直接影响到人眼所能观察到的图像的清晰程度，所以通过客观指标去衡量一个光电成像系统的成像质量是十分重要的。评价光电成像系统质量的指标有很多，主要有鉴别率法、星点检验以及调制传递函数（MTF）等。由于调制传递函数以函数的形式定量地表示星点所提供的大量像质信息，同时也包含了鉴别率所表示的像质信息，并且调制传递函数可以精确、客观地直接测量，所以MTF被公认为是客观、全面、准确评价光电成像系统成像性能的指标，已经成为各国在军事、民用领域的研究重点。

调制传递函数的测试方法有很多，比如针孔法、狭缝法、传统刀口法和倾斜刀口法。针孔法和狭缝法对光源和靶标的要求比较高，倾斜刀口法测试方法简单，系统搭建简便，所以该方法被使用的最多。但是该方法也存在一些问题，比如在将倾斜刀口靶呈现在成像芯片感光面的这一过程，传统镜头会造成的透视畸变，而且在调焦过程中，调焦不合适也会造成所成图像不清晰，从而对测试结果造成影响。本发明因此而来。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种EMCCD组件的调制传递函数测试系统及测试方法，控制过程简单且稳定性高，可用于对EMCCD组件成像性能进行评价。

本发明的技术方案是：

一种EMCCD组件的调制传递函数测试系统，包括均匀单色光模块、双远心光学系统和旋转靶标，所述均匀单色光模块输出的均匀单色光照射到旋转靶标上，经双远心光学系统，使靶标的像呈现在EMCCD组件的感光面上，所述EMCCD组件连接上位机，所述双远心光学系统包括依次设置的第一物镜、孔径光阑和第二物镜，所述孔径光阑设置在第一物镜的像方焦平面和第二物镜的物方焦平面上。

优选的技术方案中，所述均匀单色光模块包括溴钨灯光源、单色仪、光纤和积分球，所述光纤连接单色仪与积分球。

优选的技术方案中，所述上位机内设置有测试程序，所述测试程序包括：

控制模块，用于控制测试系统中的仪器动作；

图像采集模块，用于控制待测EMCCD组件采集测试所需倾斜刀口靶图像；

图像处理模块，基于采集到的倾斜刀口靶图像，计算得到EMCCD组件的调制传递函数以及奈奎斯特频率处的调制传递函数值。

优选的技术方案中，所述图像处理模块的调制传递函数计算方法包括：

对成像系统采集到的倾斜刀口靶图像进行预处理，滤除图像的噪声；

选取用于计算的刀口区域；

求选取区域每行的刀口边缘位置；

求出刀口的倾斜角度；

将选取区域每行像素沿着刀口的方向向第一行像素投影；

根据过采样的边缘扩散函数曲线求出边缘线扩散函数曲线；

对边缘线扩散函数进行加汉宁窗处理，对边缘线扩散函数进行傅里叶变换、Ｂ样条拟合和取模，得到成像系统的调制传递函数。

优选的技术方案中，所述得到成像系统的调制传递函数后还包括：对加汉宁窗后的边缘线扩散函数曲线作离散傅里叶变换得到成像系统调制传递函数的离散数据，对得到的离散调制传递函数数据做Ｂ样条拟合和取模得到成像系统连续的调制传递函数曲线。

本发明还公开了一种EMCCD组件的调制传递函数测试方法，包括以下步骤：

S01：打开溴钨灯光源，通过调节单色仪输出测试所需的单色光；

S02：光纤连接单色仪与积分球，输出均匀单色光照射到旋转靶标上，控制旋转靶标转动到倾斜刀口靶位置；

S03：将待测EMCCD组件与上位机相连，通过上位机程序采集倾斜刀口靶图像作为测试素材；

S04：基于采集到的刀口靶标图像，计算得到EMCCD组件的调制传递函数以及奈奎斯特频率处的调制传递函数值。

优选的技术方案中，所述步骤S04中调制传递函数的计算方法包括：

对成像系统采集到的倾斜刀口靶图像进行预处理，滤除图像的噪声；

选取用于计算的刀口区域；

求选取区域每行的刀口边缘位置；

求出刀口的倾斜角度；

将选取区域每行像素沿着刀口的方向向第一行像素投影；

根据过采样的边缘扩散函数曲线求出边缘线扩散函数曲线；

对边缘线扩散函数进行加汉宁窗处理，对边缘线扩散函数进行傅里叶变换、Ｂ样条拟合和取模，得到成像系统的调制传递函数。

优选的技术方案中，所述得到成像系统的调制传递函数后还包括：对加汉宁窗后的边缘线扩散函数曲线作离散傅里叶变换得到成像系统调制传递函数的离散数据，对得到的离散调制传递函数数据做Ｂ样条拟合和取模得到成像系统连续的调制传递函数曲线。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明采用双远心光学系统，结合了物方远心光学系统和像方远心光学系统的优点，能够避免上述两种方法所产生的测量误差，从而保证测量精度。可以计算得到EMCCD组件的MTF曲线以及奈奎斯特频率处的MTF值。可以根据MTF数值大小准确判断待测EMCCD组件成像性能优劣。

2、本发明控制过程简单且稳定性高。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是传统远心光学系统的物方远心光学系统示意图；

图2是传统远心光学系统的像方远心光学系统示意图；

图3是本发明的双远心光学系统示意图；

图4是本发明EMCCD组件的调制传递函数测试系统结构图；

图5是本发明EMCCD组件的调制传递函数计算方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图4所示，一种EMCCD组件的调制传递函数测试系统，包括均匀单色光模块、双远心光学系统6和旋转靶标5、上位机 7，均匀单色光模块输出的均匀单色光照射到旋转靶标5上，经双远心光学系统6，使靶标的像呈现在EMCCD组件的感光面上，EMCCD组件连接上位机7。如图3所示，双远心光学系统6包括依次设置的第一物镜61、孔径光阑62和第二物镜63，孔径光阑62设置在第一物镜61的像方焦平面和第二物镜63的物方焦平面上。

一较佳的实施例中，如图4所示，均匀单色光模块包括溴钨灯光源1、单色仪2、光纤3和积分球4，光纤3连接单色仪2与积分球4，通过积分球4产生实验所需的均匀单色光。

如图3所示，双远心光学系统是在传统远心光学系统基础之上设计而来，其结合了物方远心光学系统和像方远心光学系统的优点，可以避免传统镜头造成的透视畸变，能够避免上述两种方法所产生的测量误差，从而保证测量精度。

传统远心光学系统分为物方远心光学系统和像方远心光学系统。在物方远心光学系统中，为了消除或减小由视差引起的测量误差，将孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上，仅使物方主光线通过孔径光阑所在的像方焦点成像，如图1所示，因此所有的光线可看作来自于无穷远处。这种光路的设计使物体上每一点发出的光束的主光线并不随物体位置的移动而发生变化，即在一定的物距范围内，得到的图像放大倍率并不会随物距的变化而变化。

在图2所示的像方远心光学系统中，孔径光阑放置在镜头的物方焦平面上，此时进入镜头的光束的主光线都通过孔径光阑中心所在的物方焦点，则这些主光线在像方平行于光轴。因此像平面位置的变化并不会影响光学系统的成像大小，即像距的改变不会影响图像的大小。当被测物体是实时变化的运动物体的时候，物方远心光路和像方远心光路也会出现较大的误差。

如图4所示，上位机7内设置有测试程序，所述测试程序包括：

控制模块8，用于控制测试系统中的仪器动作；如控制单色仪2输出不同波长单色光；控制旋转靶标5转动，切换到不同的靶标位置；

图像采集模块9，用于控制待测EMCCD组件采集测试所需倾斜刀口靶图像；

图像处理模块10，基于采集到的倾斜刀口靶图像，计算得到EMCCD组件的调制传递函数以及奈奎斯特频率处的调制传递函数值。

一较佳的实施例中，如图5所示，图像处理模块的调制传递函数计算方法包括：

对成像系统采集到的倾斜刀口靶图像进行预处理，滤除图像的噪声11；

选取用于计算的刀口区域12；

求选取区域每行的刀口边缘位置；

求出刀口的倾斜角度13；

将选取区域每行像素沿着刀口的方向向第一行像素投影14；

根据过采样的边缘扩散函数（ESF）曲线求出边缘线扩散函数曲线15；

对边缘线扩散函数进行加汉宁窗处理16，对边缘线扩散函数（LSF）进行傅里叶变换、Ｂ样条拟合和取模，得到成像系统的调制传递函数17。

一较佳的实施例中，得到成像系统的调制传递函数17后还包括：对加汉宁窗后的边缘线扩散函数曲线作离散傅里叶变换得到成像系统调制传递函数的离散数据，对得到的离散调制传递函数数据做Ｂ样条拟合和取模得到成像系统连续的调制传递函数曲线。

具体的实现中，本发明采用Labview编写上位机程序，上位机程序能够对测试系统中的各个仪器进行控制，如控制单色仪输出不同波长的单色光，控制旋转靶标转动到刀口靶位置，控制Cameralink板卡采集测试靶标图像。本发明根据采集到的数字图像，通过Labview中的Matlab节点，对图像信息进行分析处理，计算得到器件的MTF曲线。根据MTF数值大小判断待测EMCCD组件成像性能优劣。

另一实施例中，本发明还公开了一种EMCCD组件的调制传递函数测试方法，包括以下步骤：

S01：打开溴钨灯光源1，通过调节单色仪2输出测试所需的单色光；

S02：光纤3连接单色仪2与积分球4，输出均匀单色光照射到旋转靶标5上，控制旋转靶标5转动到倾斜刀口靶位置；

S03：将待测EMCCD组件与上位机7相连，通过上位机程序采集倾斜刀口靶图像作为测试素材；

S04：基于采集到的刀口靶标图像，计算得到EMCCD组件的调制传递函数以及奈奎斯特频率处的调制传递函数值。

如图5所示，步骤S04中调制传递函数的计算方法包括：

对成像系统采集到的倾斜刀口靶图像进行预处理，滤除图像的噪声11；

选取用于计算的刀口区域12；

求选取区域每行的刀口边缘位置；

求出刀口的倾斜角度13；

将选取区域每行像素沿着刀口的方向向第一行像素投影14；

根据过采样的边缘扩散函数（ESF）曲线求出边缘线扩散函数曲线15；

对边缘线扩散函数进行加汉宁窗处理16，对边缘线扩散函数（LSF）进行傅里叶变换、Ｂ样条拟合和取模，得到成像系统的调制传递函数17。

一较佳的实施例中，得到成像系统的调制传递函数17后还包括：对加汉宁窗后的边缘线扩散函数曲线作离散傅里叶变换得到成像系统调制传递函数的离散数据，对得到的离散调制传递函数数据做Ｂ样条拟合和取模得到成像系统连续的调制传递函数曲线。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。