一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置及方法与流程

1.本发明属于测试技术领域，具体涉及一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置及方法。


背景技术：

2.随着器件工艺的发展和航天应用要求的提高，红外焦平面阵列正越来越多地应用于红外成像系统中，调制传递函数(mtf)是连接器件制备与整机应用的关键参数。其本质是信号频率分量经过光电成像系统后在截止空间频率范围内的衰减程度，能够真实的反映出红外探测器空间分辨率和成像质量。mtf已经逐渐成为衡量红外探测器成像性能优劣的重要指标。
3.红外焦平面阵列调制传递函数为：在奈奎斯特频率范围内，在正弦空间频率的调制辐照作用下，irfpa 输出信号的调制度与输入信号调制度之比。mtf是空间频率的函数。
[0004][0005]
其中mo(f)为输出信号的调制度，mi(f)为输入信号的调制度。
[0006]
对于红外焦平面阵列，传统的mtf测量方法有：对比度法和扫描法。对比度法通过测量irfpa对于正弦图案(或条形目标)的响应，由不同空间频率下物和像的对比度之比来得到，它是一种直接测量方法。总的来讲，比度法的测量精度有限，适用性较差，因而国内外用的都比较少。
[0007]
扫描法是采用目标扫描移动，通过测量探测器对目标信号的响应，然后进行傅立叶变换来得到mtf，它是一种间接测量方法。按照所使用目标的不同，间接测量法可分为点光源扫描法、狭缝扫描法、刀口扫描法等。一般的mtf测试系统结构如图1所示，不同的光信号目标通过成像光学系统成像在红外焦平面光敏面上，通过精密位移机构带动被测焦平面阵列进行扫描，然后进行数据采集及处理。点光源扫描法和狭缝扫描法需要加修正因子进行修正，而且信噪比较低，因此应用较少。刀口扫描法思路是对边缘扩散函数esf进行求导，将数据转换为线扩散函数lsf来处理，最后进行傅立叶变换得到mtf。刀口的直边要求十分平直没有缺陷，其长度只要足够即可。测量时刀口直边应垂直于扫描方向。由于采用的微分运算，对噪声比较敏感，所以应尽量减小噪声，增加目标信号值，最终提高信噪比。此外，扫描法主要对器件中的某个或几个像元进行测试，最终得到的mtf数值是由单个或者几个像元的mtf值进行表示的。由于器件工艺水平的限制，最终得到的测试结果并不能够全面表征整体焦平面阵列探测器的mtf值。而且扫描法本身也存在操作难度大，测试时间长等缺点。
[0008]
传统的狭缝法和刀口法需要高精度的扫描机构，测量标准要求较高、操作难度大，因此产生了倾斜刀口法，该方法是对刀口扫描法的一个改进方法。倾斜刀口方法是将刀口略微倾斜地成像在探测器上，刀口方向与探测器阵列面的行或列有一微小夹角。这样从阵列面一个扫描行到另一个扫描行的刀口位置有轻微的位移，在将多行刀口数据信息进行位置配准而沿着刀口方向投影的过程中可得到更多的采样点，提高采样率。
[0009]
倾斜刀口法带来了很多测试上的方便性，但由于刀口与探测器的阵列面有一微小夹角，现有的倾斜刀口方法容易受采集到的刀口图像上噪声的影响，求取的刀口方向出现偏差，影响最终测量结果的准确性。同时现有的倾斜刀口法往往只进行一个方向上的mtf测试，不能方便的实现垂直和水平两个方向上的mtf测试，无法全面的对焦平面器件的mtf进行评价。


技术实现要素：

[0010]
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
[0011]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012]
一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，包括红外光源、刀口目标、手动旋转台、成像光学系统、红外焦平面阵列探测器、三维位移机构、驱动及数据采集系统以及控制计算机；所述红外光源包含面源黑体和积分球两个光源，面源黑体用于中远红外响应波段的焦平面探测器测试，积分球光源用于短波红外焦平面探测器测试；所述刀口目标安装在手动旋转台上，所述成像光学系统位于刀口目标和红外焦平面阵列探测器之间，红外焦平面阵列探测器置于三维位移机构上，所述驱动及数据采集系统分别与红外焦平面阵列探测器和控制计算机连接，所述控制计算机还分别与三维位移机构和红外光源连接。
[0013]
进一步地，所述面源黑体和积分球放置在可调升降台上，且两者之间设有可调旋转反射镜，面源黑体和积分球发出的红外辐射经过反射镜后照射刀口目标，再经过成像光学系统成像到红外焦平面阵列探测器光敏面上。
[0014]
进一步地，所述面源黑体辐射面尺寸为100mm
×
100mm，温度范围为0℃～100℃，发射率为0.98
±
0.02；所述积分球光源内径为120mm～200mm，输出口径为30mm～60mm，采用卤钨灯为内置光源，用于提供400nm～2500nm范围内的光辐射。
[0015]
进一步地，所述刀口目标采用单刀口设计，刀口靠近成像光学系统的一侧进行发黑处理，远离成像光学系统的一侧设有带通滤光片，所述带通滤光片的中心波长为1.55μm、4μm或10μm。
[0016]
进一步地，所述手动旋转台设有粗调和微调按钮，粗调范围为360
°
，微调范围为
±3°
，微调分辨率为0.2
°
，所述微调按钮采用弹簧复位；所述手动旋转台台面直径为55mm～80mm之间，中心开孔，开孔直径为25mm～40mm，用于安置刀口目标。
[0017]
进一步地，所述成像光学系统采用双抛物面离轴反射式结构，由两个技术参数相同的抛物面反射镜构成，所述反射镜口径为180mm～250mm，系统工作距离为50mm～100mm，f数为f/3～f4之间，放大率为1。
[0018]
进一步地，所述三维位移机构包括3个相互正交的移动轴，其中一个轴和成像光学系统的光轴平行，通过程控调节，用于进行刀口像精确调焦，重复定位精度不大于
±
1μm，另外两个轴通过程控或手动调节，用于进行刀口像和探测器光敏面之间的对准，便于找到初始成像位置。
[0019]
一种红外焦平面阵列调制传递函数测试方法，采用如上所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，包括以下步骤：
[0020]
s1、根据被测探测器的类型选择合适的红外光源，调整所选光源位置，将光源直接
对准被测红外焦平面阵列探测器，对其进行两点非均匀性校正及盲元检测，得到每个像元的增益校正参数g(i,j)和偏置校正参数o(i,j)，对非均匀性校正后的数据进行计算，并进行盲元剔除；
[0021]
s2、将光源放回原位，保证充满成像光学系统视场，同时调节三维位移机构，使刀口能够清晰成像在红外焦平面阵列探测器光敏面上；
[0022]
s3、在刀口成像位置选取感兴趣区域，在驱动及数据采集系统中，采用canny边缘检测算子检测刀口边缘位置，并对边缘位置进行最小二乘拟合，得到刀口倾斜角度；
[0023]
s4、将所有像素点沿刀口的方向进行投影，得到获取原始esf曲线；
[0024]
s5、对原始esf曲线进行平滑和拟合操作，得到最终esf曲线，拟合算法采用三项费米函数拟合模型；
[0025]
s6、按照合适的采样间隔，对拟合后的三项费米函数进行计算，得到等间隔的最终esf曲线采样点；
[0026]
s7、对最终esf曲线进行求导运算得到lsf曲线，然后对lsf曲线进行傅里叶变换并对成像光学系统的mtf值进行扣除，得到被测红外焦平面阵列探测器的最终mtf结果。
[0027]
进一步地，所述三项费米函数拟合模型为：
[0028][0029]
其中，x为像元位置，ai、bi、ci和d1分别为三项费米函数模型的拟合系数。
[0030]
本发明所带来的有益技术效果：
[0031]
(1)测试参数更加全面。刀口目标可以360
°
旋转，可以实现垂直和水平两个方向上的调制传递函数测试。
[0032]
(2)适用范围广。采用全反射式光学系统，面源黑体和卤钨灯积分球双光源方案，可以满足近红外至中远红外各种波段的焦平面探测器测试。甚至可以扩展到紫外和可见光阵列探测器的测试，应用范围更广。
[0033]
(3)测量精度高。光学系统采用双离轴抛物面结构设计，光线只经过两次反射，同时中心光线无遮挡，使系统的mtf值保持在较高的水平，提高了成像质量。大大减小了由于系统mtf引起的测量误差。在测试时先进行非均匀性校正，可以有效避免由于响应率不均匀性引入的噪声，减小后续数据处理的难度，提高测量精度。
[0034]
(4)操作简便。刀口前方安置可调旋转反射镜，可根据被测器件的响应波段，简单的通过反射镜旋转不同的位置来选择面源黑体或积分球光源，从而满足各种波段的焦平面探测器测试。
附图说明
[0035]
图1为一般的红外焦平面阵列调制传递函数测试系统结构；
[0036]
图2为本发明提出的调制传递函数测试装置结构；
[0037]
图3为本发明提出的手动旋转台示意图；
[0038]
图4为本发明提出的成像光学系统示意图；
[0039]
图5为本发明中提出的调制传递函数测试方法流程图；
[0040]
其中，1-刀口目标；2-粗调螺杆；3-微调螺杆；4-反射镜；
具体实施方式
[0041]
一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，如图2所示，包括红外光源、刀口目标、手动旋转台、成像光学系统、红外焦平面阵列探测器、三维位移机构、驱动及数据采集系统以及控制计算机；
[0042]
红外光源主要为红外焦平面阵列探测器提供红外均匀光辐射，为满足不同类型、不同波段的红外焦平面阵列探测器测试，红外光源设计为面源黑体和积分球相结合的方式，其中，面源黑体用于中远红外响应波段的焦平面探测器测试，积分球光源用于短波红外焦平面探测器测试；两个光源放置在可调升降台上，且两者之间设有可调旋转反射镜，实际测试时可以通过程控方式移动，面源黑体和积分球发出的红外辐射经过反射镜后照射刀口目标，再经过成像光学系统成像到红外焦平面阵列探测器光敏面上。面源黑体辐射面尺寸为100mm
×
100mm，温度范围覆盖0℃～100℃，发射率为0.98
±
0.02，在环境温度
±
5℃范围内可以达到
±
0.01℃的温度均匀性；积分球光源内径为120～200mm，在该实施例中，选取内径为200mm，输出口径为30mm～60mm，在本实施例中，选取输出口径为50mm，采用卤钨灯为内置光源，用于提供400nm～2500nm范围内的光辐射，积分球出口处的均匀性优于99％，可以满足红外焦平面阵列探测器测试的使用要求，必要时可满足紫外及可见光波段的阵列探测器的测试需求。
[0043]
刀口安装在手动旋转台上，采用单刀口设计，刀口靠近成像光学系统的一侧进行发黑处理，有效消除刀口目标辐射对测量结果的影响，远离成像光学系统的一侧设有带通滤光片，可根据被测探测器的响应波段以及关注的mtf波段进行灵活选择，优选中心波长为1.55μm、4μm或10μm的三种滤光片，加入滤光片一方面可以滤除杂散光的干扰、满足短波、中波、长波等不同波段特定波长点下的红外焦平面阵列探测器mtf测试，另一方面可以根据滤光片的中心波长点对光学系统相应的mtf值进行精确扣除，提高测量精度。
[0044]
手动旋转台的台面可以360
°
旋转，如图3所示，设有粗调按钮和微调按钮，通过粗调螺杆2和微调螺杆3来实现，粗调范围为360
°
，微调范围为
±3°
，微调分辨率为0.2
°
，微调按钮采用弹簧复位，分辨率高，无空回；手动旋转台台面直径为55mm～80mm之间，中心开孔，开孔直径为25mm～40mm，用于安置刀口目标1。
[0045]
成像光学系统位于刀口和红外焦平面阵列探测器之间，采用双抛物面离轴反射式结构，由两个技术参数相同的抛物面反射镜4构成，如图4所示，反射镜4口径为180mm～250mm，系统工作距离为50mm～100mm，f数为f/3～f4之间，放大率为1。该系统具有如下优点：
[0046]
(1)系统为全反射系统，适合于可见到远红外波段，光谱范围广，可适用于不同波段的焦平面探测器测试；(2)系统只有两个反射镜，且性能参数一致，不仅便于加工及装调，而且相较于与offner三反系统，光线只经过两次反射，可以达到很好的成像质量；(3)相较于cassegrain等其他双反射镜结构，该系统中心无遮挡，避免了因光线损失引起的系统mtf下降，在后续进行系统mtf扣除时可以很好的减小系统mtf引入的测量误差，有利于提高测量精度。
[0047]
三维位移机构包含3个相互正交的移动轴，其中一个轴和成像光学系统的光轴平行，通过程控调节，用于进行刀口像精确调焦，行程不小于50mm，重复定位精度不大于
±
1μm。其余两个轴主要用于刀口像和探测器光敏面之间的对准，便于找到初始成像位置，可选
择程控或手动调节。相比于刀口扫描法，调整好位置之后仅需要进行一维移动调焦，不仅简化了系统结构和测试流程，而且可以避免测试过程中位移台定位误差、扫描过程中的振动等环境干扰引起的测量精度的下降。
[0048]
驱动及数据采集系统分别与红外焦平面阵列探测器和控制计算机连接，控制计算机还分别与三维位移机构和红外光源连接。
[0049]
一种红外焦平面阵列调制传递函数测试方法，采用如上所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，如图5所示，包括以下步骤：
[0050]
s1、根据被测探测器的类型选择合适的红外光源，调整所选光源位置，将光源直接对准被测红外焦平面阵列探测器，对其进行两点非均匀性校正及盲元检测，得到每个像元的增益校正参数g(i,j)和偏置校正参数o(i,j)，对非均匀性校正后的数据进行计算，并进行盲元剔除，可以消除由于探测器响应率不均匀性、固定图形噪声及盲元引入的测量误差；
[0051]
s2、将光源放回原位，保证充满成像光学系统视场，同时调节三维位移机构，使刀口能够清晰成像在红外焦平面阵列探测器光敏面上；
[0052]
s3、在刀口成像位置选取感兴趣区域，在驱动及数据采集系统中，采用canny边缘检测算子检测刀口边缘位置，并对边缘位置进行最小二乘拟合，得到刀口倾斜角度；
[0053]
s4、将所有像素点沿刀口的方向进行投影，得到获取原始esf曲线；
[0054]
s5、对原始esf曲线进行平滑和拟合等数据处理操作，消除数据噪声，得到最终esf曲线，拟合算法采用三项费米函数拟合模型，更能符合esf曲线线型；
[0055]
三项费米函数拟合模型为：
[0056][0057]
其中，x为像元位置，ai、bi、ci和d1分别为三项费米函数模型的拟合系数；
[0058]
s6、按照合适的采样间隔，对拟合后的三项费米函数进行计算，得到等间隔的最终esf曲线采样点；
[0059]
s7、对最终esf曲线进行求导运算得到lsf曲线，然后对lsf曲线进行傅里叶变换并对成像光学系统的mtf值进行扣除，得到被测红外焦平面阵列探测器的最终mtf结果。
[0060]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，其特征在于，包括红外光源、刀口目标、手动旋转台、成像光学系统、红外焦平面阵列探测器、三维位移机构、驱动及数据采集系统以及控制计算机；所述红外光源包含面源黑体和积分球两个光源，面源黑体用于中远红外响应波段的焦平面探测器测试，积分球光源用于短波红外焦平面探测器测试；所述刀口目标安装在手动旋转台上，所述成像光学系统位于刀口目标和红外焦平面阵列探测器之间，红外焦平面阵列探测器置于三维位移机构上，所述驱动及数据采集系统分别与红外焦平面阵列探测器和控制计算机连接，所述控制计算机还分别与三维位移机构和红外光源连接。2.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，其特征在于，所述面源黑体和积分球放置在可调升降台上，且两者之间设有可调旋转反射镜，面源黑体和积分球发出的红外辐射经过反射镜后照射刀口目标，再经过成像光学系统成像到红外焦平面阵列探测器光敏面上。3.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，其特征在于，所述面源黑体辐射面尺寸为100mm
×
100mm，温度范围为0℃～100℃，发射率为0.98
±
0.02；所述积分球光源内径为120mm～200mm，输出口径为30mm～60mm，采用卤钨灯为内置光源，用于提供400nm～2500nm范围内的光辐射。4.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，其特征在于，所述刀口目标采用单刀口设计，刀口靠近成像光学系统的一侧进行发黑处理，远离成像光学系统的一侧设有带通滤光片，所述带通滤光片的中心波长为1.55μm、4μm或10μm。5.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，其特征在于，所述手动旋转台设有粗调和微调按钮，粗调范围为360
°
，微调范围为
±3°
，微调分辨率为0.2
°
，所述微调按钮采用弹簧复位；所述手动旋转台台面直径为55mm～80mm之间，中心开孔，开孔直径为25mm～40mm，用于安置刀口目标。6.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，其特征在于，所述成像光学系统采用双抛物面离轴反射式结构，由两个技术参数相同的抛物面反射镜构成，所述反射镜口径为180mm～250mm，系统工作距离为50mm～100mm，f数为f/3～f4之间，放大率为1。7.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，其特征在于，所述三维位移机构包括3个相互正交的移动轴，其中一个轴和成像光学系统的光轴平行，通过程控调节，用于进行刀口像精确调焦，重复定位精度不大于
±
1μm，另外两个轴通过程控或手动调节，用于进行刀口像和探测器光敏面之间的对准，便于找到初始成像位置。8.一种红外焦平面阵列调制传递函数测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置，包括以下步骤：s1、根据被测探测器的类型选择合适的红外光源，调整所选光源位置，将光源直接对准被测红外焦平面阵列探测器，对其进行两点非均匀性校正及盲元检测，得到每个像元的增益校正参数g(i,j)和偏置校正参数o(i,j)，对非均匀性校正后的数据进行计算，并进行盲元剔除；s2、将光源放回原位，保证充满成像光学系统视场，同时调节三维位移机构，使刀口能够清晰成像在红外焦平面阵列探测器光敏面上；
s3、在刀口成像位置选取感兴趣区域，在驱动及数据采集系统中，采用canny边缘检测算子检测刀口边缘位置，并对边缘位置进行最小二乘拟合，得到刀口倾斜角度；s4、将所有像素点沿刀口的方向进行投影，得到获取原始esf曲线；s5、对原始esf曲线进行平滑和拟合操作，得到最终esf曲线，拟合算法采用三项费米函数拟合模型；s6、按照合适的采样间隔，对拟合后的三项费米函数进行计算，得到等间隔的最终esf曲线采样点；s7、对最终esf曲线进行求导运算得到lsf曲线，然后对lsf曲线进行傅里叶变换并对成像光学系统的mtf值进行扣除，得到被测红外焦平面阵列探测器的最终mtf结果。9.根据权利要求1所述的一种红外焦平面阵列调制传递函数测试方法，其特征在于，所述三项费米函数拟合模型为：其中，x为像元位置，a
i
、b
i
、c
i
和d1分别为三项费米函数模型的拟合系数。

技术总结
本发明公开了一种红外焦平面阵列调制传递函数测试装置及方法，包括红外光源、刀口目标、手动旋转台、成像光学系统、红外焦平面阵列探测器、三维位移机构、驱动及数据采集系统以及控制计算机；红外光源包含面源黑体和积分球两个光源，面源黑体用于中远红外响应波段的焦平面探测器测试，积分球光源用于短波红外焦平面探测器测试；刀口目标安装在手动旋转台上，成像光学系统位于刀口和红外焦平面阵列探测器之间，红外焦平面阵列探测器置于三维位移机构上，驱动及数据采集系统分别与红外焦平面阵列探测器和控制计算机连接，控制计算机还分别与三维位移机构和红外光源连接。本发明具有适用面广、测试方便、测试参数全面、测试准确度高等优点。等优点。等优点。


技术研发人员：王洪超 刘红元 李京松 王玉波 孟凡钦 吴斌
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十一研究所
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/22