GB T 27667-2011 光学系统像质评价.畸变的测定.pdf

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1、ICS 37.020 N 30 道B中国家标准国不H11: ./、民华人GB/T 27667-20门/ISO9039: 2008 光学系统像质评价畸变的测定Quality evaluation of optical systems-Determination of distortion CISO 9039: 2008 , Optics and photonics-Quality evaluation of optical systems一-Determinationof distortion, IDT) 2011-12-30发布2012-05-01实施数码防伪 中华人民共和国国家质量监督检验检

2、疫总局中国国家标准化管理委员会发布G/T 27667-20 11/ISO 9039: 2008 目次3333488899999014PU T-例u举法方的值统统统统UHHHUUHHHHA变系系系系HHU.原畸距距距距川uu算量何像像像像角计测几远远远远uu考的换像限限限限惨变图有元有无的或)类且且旦旦求裂n算达录录H分物物物物要学点择FG计表附附义的远远远远本光原选川队的的性性定统限限限限法述置基测标高量变果告料料和系元元有有方概装的被坐像U参畸结报喷tAI围语测123验量价量试A如刘言范术被LLnM试UU测UUU评UM测泪录录考前12345678附附参GB/T 27667-20 11/ISO

3、 9039: 2008 剧吕本标准按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本标准使用翻译法等同采用ISO9039: 2008(光学和光子学光学系统像质评价畸变的测定。为便于使用，本标准还做了下列编辑性修改:一一本国际标准一词改为本标准气一一删除国际标准的前言。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国光学和光子学标准化技术委员会CSAC/TC103)归口。本标准负责起草单位:上海理工大学、华东师范大学、江南永新光学有限公司、宁波永新光学股份有限公司、南京东利来光电实业有限公司、宁波市教学仪器有限公司、宁波华光精密仪器有限公司、宁波舜宇仪器有限公司、梧州奥卡光学仪器公司、广州粤显光学仪器

4、有限责任公司、麦克奥迪实业集团有限公司、重庆光电仪器有限公司、贵阳新天光电科技有限公司、苏州一光仪器有限公司。本标准主要起草人:黄卫佳、章慧贤、王蔚生、李晴、曾丽珠、杨广烈、王国瑞、徐利明、胡森虎、张景华、黄文勇、肖倩、夏硕、胡清、顾洁。I GB/T 27667-20 11/ISO 9039: 2008 光学系统像质评价畸变的测定1 范围本标准规定了光学系统径向畸变的测量方法。本标准适用于光谱范围在100nm15 000 nm内，且具有旋转对称特性的光学系统。对于符合旋转对称特性的电子光学图像系统，亦可参照使用。本标准不适用于变形光学系统。2 术语和定义2. 1 2.2 2.3 2.4 2.5

5、 2.6 2. 7 下列术语和定义适用于本文件。畸变distortion 横向放大率随视场的增大而变化所引起的一种失去物像相似的一种像差。注:如果像面在元限远，像的位置用视场角的正切表示。参考平面reference plane 测量、校准的基准面，它与测量装置的物理特征相对应，例如安装法兰或其他专用的部件。绝对畸变absolute distortion V 被观测像点到理想像点之间的径向距离。单位用毫米或微米表示。相对畸变relative distortion V 用绝对畸变Va相对于理想像高川的百分比表示。物高object height h 物点到测试样本旋转对称光轴之间的距离。单位用毫米表

6、示。像高image height h 像点到测试样本旋转对称光轴之间的距离。单位用毫米表示。物方视场角object pupil field angle 也)p边缘物点的主光线与光轴夹角的两倍。1 GB/T 27667-20 11/ISO 9039 :2008 2.8 像方视场角image pupil field angle , Jp 边缘像点的主光线与光轴夹角的两倍。2.9 物距object distance a 自光学系统物方主点到轴上物点的距离。单位用毫米表示。2.10 像距image distance a 自光学系统像方主点到轴上像点的距离。单位用毫米表示。2. 11 物平面obj田tp

7、lane 过物点并垂直于光轴的平面。2. 12 像平面image plane 过像点并垂直于光轴的平面。2.13 理想像高ideal image beight h 由几何透视投影得到的元畸变的像高。单位用毫米表示。2. 14 理想视场角ideal image field angle Wo 由几何透视投影得到的无畸变的像方视场角。单位用弧度或度表示。2. 15 角放大率angular magnification r 通过轴上像点的光线与光轴夹角的正切和通过物点的共辄光线与光轴夹角的正切之比值。角放大率F按公式(1)计算:P-p 一阳m一伽m叫一一r ( 1 ) 2. 16 横向放大率latera

8、l magnification m 光学系统成像时，像的大小与物的大小之比值。横向放大率m按公式(2)计算:,. h m=Uffi h o n .( 2 ) 2 3 被测系统的分类3. 1 无限远物距、有限远像距系统参量是像距a，按公式(3)计算:绝对畸变V.按公式(4)计算:相对畸变Vr按公式(5)计算:a=limLpo tanF V. =h -atanp VvhF-丁atan!:X100%r =. , .uup X 100% a tanwp G/T 27667-2011/ISO 9039:2008 . ( 3 ) .( 4 ) . ( 5 ) 对于远心成像系统，像距aF用光阑到物方主点的距

9、离代替，该光阑位于主光线通过像方焦点处。如果像方焦点位于像面上，则像距ay与焦距等效。对于摄影测量镜头，用镜箱焦距代替像距aF来计算绝对畸变V.o镜箱焦距是用特定的方法，根据视场范围内畸变最小和分布均匀的原则确定的焦距值。3.2 无限远物距、无限远像距系统参量是角放大率F。相对畸变Vr按公式(6)计算:VJ(zt;一1)X 1 3.3 有限远物距、有限远像距系统参量是横向放大率m。绝对畸变V.按公式(7)计算:相对畸变Vr按公式(8)计算:3.4 有限远物距、无限远像距系统参量是物距，按公式(9)计算:相对畸变Vr按公式(10)计算:V. =h -hm V=(每一1)X 1 a=lim一立了h

10、 o tanp Vr=t叮p-X 100% . ( 6 ) . ( 7 ) .( 8 ) . ( 9 ) ( 10 ) 对于远心成像系统，物距a用光阑到像方主点的距离代替，该光阑位于主光线通过像方焦点处。4 试验方法4. 1 概述为了测定畸变，必须测量出物空间和像空间共辄关系的参数值。对于物空间有物方视场角p或物高h，像空间有像方视场角叫或像高h0对物空间和像空间的理解必须与镜头实际使用情况吻合。测量方向原则上应从物空间到像空间。测量方向的不同会改变畸变的形状，但为了测量的方便也3 G/T 27667-2011/ISO 9039 :2008 可以考虑反方向测量。通过对照明分划板或一组分离的照明

11、狭缝或单个照明狭缝的位置测量，来表述有限远物距系统，反方向测量则表述有限远像距系统。平行光管表述无限远物距系统，而望远镜则表述元限远像距系统(反方向测量也一样)。为了测量物方或像方视场角，被测平行光管或望远镜的像面或物面的相互位置应有利于对应角度的测量。为了使光线充满系统整个孔径，达到较大的视场角，旋转光轴应通过被测系统人睡或出踵的中心。为了测量有限远像距或物高，检测装置的位置应能测量，或在测量面上安装一把标尺。按第3章给出的公式，根据测量值计算畸变。注:反方向测量时，像方、物方必须分清，否则畸变的符号会颠倒。4.2 装置4.2. 1 通用要求对元限远物距或无限远像距系统，可采用自准直仪代替平

12、行光管或望远镜，其光轴应校正到垂直于被测系统的参考平面。参考平面、物平面和像平面三者应相互平行，此时的物方视场角p=OO，或像方视场角叫=00。测量装置的系统误差应不超过畸变值的十分之一到五分之一。对于畸变值很小的系统，实际测量准确度应在测试报告中予以规定。对测量装置的稳定性，尤其是旋转精度应进行误差评定。测量装置的照明系统、光谱特性、相干性能、光束限制以及主光线的取向应尽可能地与被测系统的实际使用情况相适应。对于测量光路中的附加光组，应具有良好的像质和足够大的通光孔径，以保证测量过程中不产生拦光现象，不影响测量值。测量中应精确调焦，保证测量的像平面精确地与实际使用的像平面相一致。如果测量精度

13、较高，应详细规定调焦过程，保证像面位置的正确。4.2.2 无限远物距、有限远像距系统4.2.2. 1 一般要求测量时尽可能做到物方视场角p和像高h成对测量。4.2.2.2 测量装置平行光管焦面上安置一非相干光照明的狭缝，其出射光模拟了无限远物距，经被测光学系统后成像于它的像面上，像面上安装有位移测量装置。平行光管和像面上装有位移测量装置的被测系统，这两个部件都可以转动，且转动角度均可测得。测量时哪个部件转动哪个部件固定都不重要，但转动轴必须垂直于平行光管的光轴，转动轴位置要通过被测系统的入睡中心，且与被测系统像面垂直的光轴相垂直。测量物方视场角时，用带角度分划的旋转平台或用经纬仪以替代不同角度

14、安置的若干平行光管。开始测量之前，应校正好像探测器的位移方向，使其平行于被测系统的参考平面。平行光管的出射光束垂直于参考平面，此时定物方视场角p=OO，以像平面上所瞄准的像点作为像高的测量原点。用自准直望远镜进行相应的校正后，采用带十字分划板的显微镜或光电显微镜对像点进行瞄准测量。在测量准确度要求不太高的情况下，可在像面上安装一已知格值的标尺进行测量见图la)J。如图lb)所示，在像平面上用照相干板拍摄目标像，经显影、定影处理后，对像高进行测量。干板在显影、定影过程中所引起的微小位移，应在测量允许误差范围内。4 说明:B像面zBZ-一一被测光学系统的参考平面;D一一检测装置;EP一人障;K-平

15、行光管;L一二照明系统;K GB/T 27667-2011/ISO 9039:2008 P D EP BZ B a) K Ph P b) P 被测光学系统zPh一一一照相干板;05-分划板或狭缝;a一一像距;h-一像高5p 物方视场角。图1测量装置5 GB/T 27667-2011/ISO 9039 :2008 图2所示的是物、像颠倒的一种安置，在被测光学系统的像平面上安置一十字分划板或一组照明狭缝或单个照明狭缝，在像方用带十字分划板的望远镜替代平行光管进行测量。或用自准直望远镜更为理想。D 说明:B 像面zBZ 被测光学系统的参考平面;D一一检测装置;EP 入膛zFO 望远物镜;4.2.2.

16、3 节点滑动法FO L一一照明系统pP一一被测光学系统;SP一一分划板;h一一像高;p一一物方视场角。图2物、像颠倒的测量装置SP B 如图3所示，在平行光管的焦面上安置一非相干照明狭缝，平行光管的孔径光阑应足够大，能充满被测系统视场的孔径光阑。被测光学系统安置在旋转工作台上，使其能绕垂直轴旋转。当平行光管的出射光束垂直于被测系统的参考平面时，定为物方视场角p=000被测光学系统沿光轴方向移动，使旋转轴通过系统后节点。在像平面上安置一测量装置例如带十字分划板的显微镜来测量像高。说明:D-一检测装置;K一一平行光管zL 照明系统;K N一一被测光学系统第二主面FP 被测光学系统;6 .s偏移量;

17、.a一一调焦茸;p 物方视场角;os-分划板或狭缝。图3节点滑动法装置GB/T 27667-2011 /ISO 9039: 2008 沿光轴方向移动被测系统，直到被测系统绕测量装置的垂直轴作小角度摆动时，在显微镜中看不到像点位移为止，这时表明被测系统的后节点已调在垂直轴的轴线上。为了测量被测光学系统转动p角的畸变，测量装置应重新调焦，调焦量.a按公式(11)计算zF -3-F 一一-ma-一a A .( 11 ) 重新调焦后，像距aF应足够精确。当测量装置的视场为平视场时，不必重新调焦。通过测量装置测出被测系统像平面上像点的偏移量缸，按公式(12)计算畸变Va:Va = .s 一-cos)p

18、( 12 ) 4.2.3 无限远物距、无限远像距系统测量装置应能测定物方视场角F和像方视场角;对应的共辄值，其装置类似于4.2.2.2的描述。只是用望远物镜替代像面上可移动测量装置，望远物镜能绕位于被测光学系统出睡中心的垂直轴转动，望远物镜的焦面上安装十字分划板或带光电接收器的狭缝。测量前应校正测量装置，使其处于p=O。和叫=0。的位置。测量时调整被测光学系统，使目标像处于叫=00时测量装置瞄准点仍在同一位置上。如图4所示，望远物镜的旋转轴与平行光管的旋转轴应相互平行。测量装置中哪个部分固定哪个部分可移动，这并不重要，重要的是角度能被测出。说明:AP 出膛zOS 分划板或狭缝zP 被测光学系统

19、za牛一物方视场角;叫一一像方视场角;D一一检测装置;FO-望远物镜zk一一平行光管;L 照明系统。图4无限远系统的畸变测量装置4.2.4 有限远物距、有限远像距系统如图5所示，测量装置的物平面和像平面应调至规定的共辄距，测量方向从物空间到像空间，在物平面上安置一十字分划板或一组照明狭缝或单个照明狭缝，在被测光学系统的像平面上安置图像测试装置并校正到物平面、像平面和参考平面相互平行。在像平面上也可用照相干板拍摄目标像，经显影、定影处理后，对像高进行测量。当测量方向从像空间到物空间时，在像平面上安置十字分划板，物平面上安置测试装置。也可以将图像投影到显示屏上进行测量。当物距要求太长，在实验室无法

20、完成时，按4.2. 2的方GB/T 27667-2011/ISO 9039:2008 法，将平行光管或望远镜调焦至物距，此时应增大视场角重新调焦，重新调焦后不应发生轴向位移，最好用准直望远镜。L 说明:B一像面;BZ一被测光学系统的参考平面;D一检测装置;L一一照明系统;。一-物面。P os-分划板或狭缝;P一一一被测光学系统zh一物高;h-像高;图5有限远物、像距系统的睛变测量装置4.2.5 有限远物距、无限远像距系统D 测量装置应能测定物高h和像方视场角叫对应的共辄值，测量装置的安置与4.2.2相同，测量方向与4.2.2相反。5 测量的基本要求5. 1 被测光学系统的参考角应当在像平面两个

21、互相垂直的方位进行畸变测量。当被测光学系统的图像呈正方形并且方位已知，则应在图像的对角线方向进行测量，参考角的方位应在被测光学系统中标明。5.2 坐标原点对无限远物距系统，平行光管光轴应垂直于参考平面。对有限远像距系统，由平行光管和被测光学系统形成的像点即为像平面的坐标原点。对无限远像距系统，像方视场角的零方位用同样方法得到。对有限远物距和有限远像距系统，首先按上述方法确定无限远物距的坐标原点，然后像点到达垂直于参考平面的有限远物距的像平面。如果被测光学系统不是无限远物距系统，测量的坐标原点只能估计。对有限远物距和无限远像距系统，像方视场角的零方位即为坐标原点。8 GB/T 27667-201

22、1/ISO 9039 :2008 5.3 像高选择按表1列出的像高或视场角顺序进行测量。表1像高视场角土hmax土P.MAX 土O.85hm皿土O.85w.MAX 士O.7hm皿土O.7w.MAX 士0.5hmax士O.5w.MAX 土O.3h max 士0.3LMAX 士O.2hm. 土O.2w旧X土O.lhm . 士O.lwp.MAX注:不同像高或视场角的测试结果应相互比对，但对特殊的应用应选择不同的像高。6 评价6. 1 参量a、a、m或F的计算按O.1 h.x，O. 2 h.x、O.3 hax或0.14.MAX、0.24，MAX、0.34，MAX条件下测出的测量值，分别用公式(9)、(

23、3)、(2)、(1)计算参量Ld、m或r。6.2 畸变的计算6.2.1 根据被测系统物、像关系的类型，按第2章、第3章中的公式计算各视场的畸变。6.2.2 一般在测量原点两侧所测得的畸变值是不相等的。原因有:a) 被测光学系统旋转对称性不良;b) 测量装置的不完善;c) 测量中对测量原点选取不当(对有限远物距、有限远像距系统是主要的。因此，通过变换测量原点而重新确定一个新的测量原点，将畸变值的非对称性减到最低程度，变换测量原点的方法参见附录A(资料性附录)。对电视摄像镜头可以用偏离理想图像几何形状的参量图像几何畸变(PHD)值表示，图像几何畸变(PHD)值的计算方法参见附录B(资料性附录)。7

24、 测量结果的表达7. 1 应以最佳对称零点为基准确定畸变值，同时应注明测量原点偏移量的大小。7.2 所选择的两参考角应表达为像高或视场角的函数。7.3 测量结果应用视场对角线四端点处畸变值的平均值表达。9 GB/T 27667-2011/ISO 9039:2008 7.4 测量结果用曲线或表格的形式表达。8 测试报告测试报告的主要内容应包括:a) 测试单位名称;b) 被测光学系统名称、制造商及编号;c) 测试方法;d) 参量ad、m或r;e) 被测系统的参考角岛f) 测量波长或光谱评价函数zg) 数值孔径(NA)或f数;h) 调焦准则;i) 测量或计算值的必要说明;j) 附加因素;k) 测试环

25、境条件。10 GB/T 27667-20 11/ISO 9039: 2008 附录A(资料性附录)变换测量原点的方法举例A.1 方法描述A. 1. 1 对于元限远物距、有限远像距系统，最佳对称测量原点的平均位移量按公式(A.1)计算:V一一-dv-2 a艺出一一,d .( A.1 ) 式中zd 一-位移量;V;l、V;2对称视场角叫所测得的绝对畸变值zn 一一所测视场角个数。变换后的测量原点作为新的最佳对称测量原点。A. 1.2 对于有限远物、像距系统，最佳对称测量原点的平均位移量按公式(A.2)计算z2问d .( A. 2 ) 式中:h;l、h2一一对称视场下所测得的像高值。如果确定最佳对称

26、测量原点之后，在所要求的测量准确度范围之内，仍未能得出足够的对称性，应进行多次测量来改善测量原点的对称性。如果变换位移量d的前后，畸变值的差超过所要求的测量准确度，应重新进行测量。A.2 无限远物距、有限远像距系统的公式推导A. 2.1 公式推导为了重新计算畸变值，应计算对称于测量原点的每一对像点的位移量d;o物方视场角作为独立变量代替像高进行同样的推导，见图A.1。对称于测量零位的像点Pil、Pi的绝对畸变值按公式(A.3)、(A.4)计算zVi二h:一atanil.( A.3 ) V;2 =h:atani2 .( A.4 ) 测量零位位移丛距离到达乱点后的绝对畸变值按公式(A.5)、(A.

27、6) (A. 7)计算:VilS = (h:+d) -atan(il十8;)V;2.S = (以-d)-atan(;2 - 8;) tansz=4 a 飞/飞，、，Fbnb吁tAAA ，、，、，、11 GB/T 27667-20 11/ISO 9039: 2008 P2 4 S, 。、.: Pi1 EP IP 说明:EP-人睦;问1、2物方视场角;。一一物方视场角p=o时的像点;Pil、Pi2一对称于测量零位的像点;h;一一像高。IP一像面zSi一一对称测量原点;乱一一相对于S，的物方视场角;di一一-对称测量原点的位移量;图A.1畸变的对称测量原点tan2Al!小，可以忽略，并由公式(A.的

28、得到公式(A.的、(A.10)。T仨:l-x.( A.8 ) VilS : V i) - di tan2 W i) . ( A.9 ) . ( A. 10 ) Vi2S句Vi2+ d i tan2 W i2 由于叫1:叫2臼叫，则位移量di按公式CA.ll)计算zdi句Vi)-卫:t.V i 2tan2i . -2tan2z C A. ll) 所有被测像点成对分布在一条对角线上，每对像点对称于一个公共参考点。计算每一对像点的位移量丛，其算术平均值即为最佳对称测量原点S的平均位移量d，见公式CA.12)。V一v-2 nz l-n d 式中n是被测像点数的一半，Vi)、Vi2由公式CA.5)、CA

29、.6)中将d代替di得到。. C A. 12 ) 12 GB/T 27667-20门/ISO9039: 2008 A.2.2 计算实例A. 2. 2.1 像距a的计算见表A.l表A.l参数i=l i=2 i=3 h; 2 4 6 w, 2.253 4.499 6.730 tanz 0.039 34 0.078 68 0.11800 , h: 50.833 50.838 50.850 aj=.-_-tanJ， , ah抖;(h; -h) -a; h;h; (h; -h;) +ah抖;(h -h;) 50.832 a-。-h;)仙;-h)仙;-h;) A.2.2.2 绝对畸变矶的计算见表A.2表A

30、.2参数左侧右侧h; 21 18 15 11 11 15 18 21 ， 21. 995 19.274 16.357 12. 191 12.204 16.394 19.319 22.085 tanz 0.403 92 0.349 68 O. 293 50 0.216 05 0.216 28 0.294 20 0.350 57 0.405 75 V 0.468 0.225 0.081 0.018 0.006 0.045 O. 180 0.375 A.2.2.3 位移量d的计算见表A.3表A.313 GB/T 27667-2011/ISO 9039 :2008 附录B(资料性附录)图像几何畸变值对

31、有些镜头(例如电视摄像镜头)，用偏离理想图像几何形状的参量图像几何畸变(PHD)值，来表示其特性是很实用的。然而，当用图像几何畸变(PHD)值测量畸变时，会出现零畸变情况，但视场内存在畸变，这种情况在实际应用中是不允许的。:t: 4 卜、I I I -飞t I I l-JJJll2 说明:1一一内接矩形;2一一图像几何边界。固B.l图像几何畸变图像几何畸变(PHD)值按公式(B.1)计算:PHD=誓x100% . ( B.1 ) 如果图像几何边界的四个角远离图像中心(呈枕形)，则PHD值为正，接近图像中心(呈桶形)，则PHD值为负。最终的PHD值应为四个角上PHD值的平均值。图像几何畸变可以用

32、一个近似于镜头尺寸的矩形物体进行直接测量，或者通过公式(B.2)用相对畸变Vr计算其近似值。PHD=wy-Vr(H川.(B.2)式中:Vr (H/2)一一像高为图像几何尺寸高度一半时的相对畸变;Vr(R) 一一像高为图像几何尺寸对角线一半时的相对畸变。14 GB/T 27667-2011/ISO 9039:2008 参考文献1 IS0 9334: 2007 Optics and photonics一Opticaltransfer function-Definitions and mathe matical relationships. OON 白的。自四-ON|hhNH阁。中华人民共和国国家标

33、准光学系统像质评价畸变的测定GB/T 27667-20n/ISO 9039: 2008 * 中国标准出版社出版发行北京市朝阳区和平里西街甲2号(100013)北京市西城区三里河北街16号(100045)网址总编室:(010)64275323发行中心:(010)51780235读者服务部:(010)68523946中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销晤开本880X12301/16 印张1.25 字数32千字2012年3月第一版2012年3月第一次印刷等t;号:155066. 1-44676定价21. 00元GB/T 27667-2011 如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68510107打印忖期:2012年4月19HF002A