Предварительная обработка изображений тест-объектов для вычисления функции передачи модуляции при контроле оптических систем

Летова Е.Ю., Иванова Т.В., Завгородний Д.С.

Ссылка для цитирования:

Летова Е.Ю., Иванова Т.В., Завгородний Д.С. Предварительная обработка изображений тест-объектов для вычисления функции передачи модуляции при контроле оптических систем // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 6. С. 97–107. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-97-107

Letova E.Yu., Ivanova T.V., Zavgorodniy D.S. Test object image preprocessing for modulation transfer function calculation in the testing of optical systems [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 6. P. 97–107. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-97-107

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Рассмотрены методы предварительной обработки изображений щелевых и точечных диафрагм для последующего вычисления функции передачи модуляции, а также показан способ учёта конечного размера предмета при её расчёте. Показано влияние методов уменьшения влияния фона, шума фотоприёмника и вычисления центра пятна рассеяния на итоговую погрешность функции передачи модуляции. Цель работы. Предварительная обработка данных (уменьшения влияния фона и шума, кадрирование и поиск центра пятна рассеяния) и вычисление функции передачи модуляции по изображению тест-объектов для программно-аппаратного комплекса автоматизированного контроля оптических систем. Методы. Для анализа методов предварительной обработки использованы зарегистрированные изображения тест-объектов на стенде контроля, сформированные двумя различными объективами. Погрешность вычисления функции передачи модуляции при применении различных методов предварительной обработки рассчитана как максимальное абсолютное отклонение от референтного графика, полученного при контроле другим методом или рассчитанного теоретически при проектировании исследуемого объектива. Основные результаты. Оценка погрешности вычисления функции передачи модуляции показала, что наибольшее влияние на результаты расчётов оказывает метод устранения фона, на который в свою очередь влияет метод уменьшения влияния шума. Для избавления от хаотичных шумов и фоновой засветки предложено использовать медианный фильтр и метод многократного удаления фона. Кроме того, необходимо делать поправку на размер предмета, для чего используется деление функции передачи модуляции на пространственный спектр предмета, а также находить центр пятна рассеяния с минимальной погрешностью, что обеспечивается применением метода квадратичного центра масс. Практическая значимость. Использование результатов работы на этапе сборки и сдачи оптических приборов при оценке качества оптической продукции обеспечит повышение точности методов контроля по изображениям тест-объектов. При этом уменьшатся трудоёмкость процедуры контроля и затрачиваемые временные ресурсы для аттестации оптических систем.

Ключевые слова:

обработка изображений, фильтрация шумов, уменьшение влияния фоновой засветки, центр пятна рассеяния, функция рассеяния точки, функция рассеяния линии, функция передачи модуляции, контроль оптических систем, характеристики качества оптических систем

Коды OCIS: 100.2000, 110.3000, 110.4100

Список источников:

1. Miora R.H.D., Senftleben M., Abrahamsson S., Rohwer E., Heintzmann R., Bosman G. Experimental validation of numerical point spread function calculation including aberration estimation // Optics Express. 2024. № 12 (32). P. 21887–21908. https://doi.org/10.1364/OE.520400

2. Xie X., Fan H., Wang H., Wang Z., Zou N. Error of the slanted edge method for measuring the modulation transfer function of imaging systems // Applied Optics. 2018. V. 57. № 7. P. B83–B91. https://doi.org/10.1364/AO.57.000B83

3. Perezyabov O.A., Baranov A.N., Maltseva N.K., Linski A.V. Application for determining the modulation transfer function of the smartphone built-in camera // 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS). St. Petersburg, Russia. May 22–25, 2017. P. 3804–3808.

4. Оптический производственный контроль / Под ред. Д. Малакара. Пер. с англ. Е.В. Мазуровой и др. Под ред. А.Н. Соснова. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

Optical shop testing. Ed. by Malacara D. New York, Chichester, Brisbane, Toronto: John Wiley & Sons, 1978. 523 p.

5. Летова Е.Ю., Исламова Р.Р. Разработка программы для контроля качества оптической системы по зарегистрированному пятну рассеяния при помощи вычисления концентрации энергии и частотно-контрастной характеристики // Сборник трудов XI Конгресса молодых учёных. Санкт-Петербург, Россия. 04–08 апреля 2022. С. 637–640. EDN: FWZMSI

Letova E., Islamova R. Program development for an optical system quality control based on the registered scattering spot via energy concentration and modulation transfer function calculation [in Russian] // Proceedings of the XI Congress of Young Scientists. St. Petersburg, Russia. April 04–08, 2022. P. 637–640. EDN: FWZMSI

6. Летова Е. Разработка программы для анализа качества изображения и её интеграция в программно-аппаратный комплекс контроля оптических систем // Альманах научных работ молодых учёных Университета ИТМО. 2023. Т. 1. C. 223–226. EDN: NYVYWH

Letova E. Image quality assessment program development and its integration into the hardware-software complex for optical systems control [in Russian] // Almanac of Scientific Papers of Young Scientists of ITMO University. 2023. V. 1. P. 223–226. EDN: NYVYWH

7. ГОСТ Р58566—2019. Оптика и фотоника. Объективы для оптико-электронных систем. Методы испытаний. Введ. 27.09.19. М.: Стандартинформ, 2019. 28 с.

GOST (Russian National Standard) R 58566—2019. Optics and photonics. Lenses for optoelectronic systems. Test methods [in Russian]. Introd. 27/09/19. Moscow: Standards Publ., 2019. 28 p.

8. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.: Машиностроение, 1982. 275 с.

Rodionov S.A. Automation of optical systems design [in Russian]. Leningrad: Mashinostroenie, 1982. 275 p.

9. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Перевод с англ. Бреуса С.Н., Головашкина А.И., Шубина А.А. / Под ред. Мотулевич Г.П. М.: Наука, 1973. 720 с.

Born M., Wolf E. Principles of optics. London, N.Y., Paris: Pergamon Press Publ., 1970. 808 p.

10. MTFLab. Software User Manual. Detector type: CCD. Rev: 4.6.0.6 as of October 18st, 2012. 116 p.

11. ОСТ 3-2635-82 Устройства для измерения функции передачи модуляции съемочных объективов. Метод проверки. Введ. 01.01.1984. Дом Оптики, 1984. 23 с.

OST (Industry standard) 3-2635-82 Devices for measuring the modulation transfer function of shooting lenses. Method of verification [in Russian]. Introd. on January 1, 1984. Dom Optiki. 1984. 23 p.

12. Pharr M., Jakob W., Humphreys G. Physically based rendering: from theory to implementation. Cambridge, London: The MIT Press, 2023. 1243 p.

13. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений / Перевод с англ. Рубанова Л.И., Чочиа П.А. Под ред. Чочиа П.А. М.: Техносфера, 2012. 1104 с.

Gonzalez R.C., Woods R.E. Digital image processing. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Prentice Hall, 2008. 954 p.

14. Дрыгин Д.А., Острун А.Б. Разработка алгоритма расчета концентрации энергии инфракрасных оптических систем с учетом влияния эффекта перетекания зарядов на матричном фотоприемном устройстве // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 9. С. 3–11. https://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2020-87-09-03-11

Drygin D.A., Ostrun A.B. Development of an algorithm for calculating the energy concentration of infrared optical systems taking into account the charge flow effect in a photodetector array // Journal of Optical Technology. 2020. V. 87(9). P. 506–512. https://doi.org/10.1364/JOT.87.000506

15. Li L., Cao J., Wei S., Jiang Y., Shen X. Improved on-orbit MTF measurement method based on point source arrays // Remote Sens. 2023. № 16 (15). P. 4028. https://doi.org/10.3390/rs15164028

16. Pu D., Tao H., Ge Y., Liu C., Zhu J. Improvements on sampling of point spread function in optical transfer function measurement // Optics Express. 2022. № 7 (30). P. 10953–10968. https://doi.org/10.1364/OE.452979

17. Иванова Т.В., Летова Е.Ю., Калинкина О.С., Никифорова Д.В., Стригалев В.Е. Анализ методов определения центра пятна рассеяния в присутствии аберраций // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 3. С. 334–341. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-3-334-341

Ivanova T.V., Letova E.Yu., Kalinkina O.S., Nikiforova D.V., Strigalev V.E. An analysis of methods for aberrated spot diagram center evaluation [in Russian] // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2021. V. 21. № 3. P. 334–341. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-3-334-341

18. Goodman J. Introduction to Fourier optics. New York: W. H. Freeman and Company, 2017. 491 p.