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| 标准编号 | GB/T 4315.2-2009 (GB/T4315.2-2009) | | 中文名称 | 光学传递函数 第2部分：测量导则 | | 英文名称 | Optical transfer function -- Part 2: Directives of measurement | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | N30 | | 国际标准分类 | 37.020 | | 字数估计 | 20,298 | | 发布日期 | 2009-11-15 | | 实施日期 | 2010-02-01 | | 旧标准 (被替代) | GB/T 4315.2-1988 | | 引用标准 | GB/T 4315.1; JB/T 5521; JB/T 5522; JB/T 6784 | | 采用标准 | ISO 9335-1995, IDT | | 标准依据 | 国家标准批准发布公告2009年第13号(总第153号) | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | GB/T 4315的本部分规定了成像系统光学传递函数(OTF)测量装置结构和用途的通用导则。本部分叙述了可能影响OTF测量的各个重要因素, 同时规定了测量装置性能要求和环境控制的一般规则。本部分规定了为保证精确测量所必须注意的要点, 以及测得数据的修正因子。本部分所描述的光学传递函数测量装置, 限制在分析被测光学成像系统像平面上的辐射分布。这些装置不包括以干涉仪为基础的仪器。 | GB/T 4315.2-2009: 光学传递函数 第2部分：测量导则
GB/T 4315.2-2009 英文名称: Optical transfer function -- Part 2: Directives of measurement
ICS ３７．０２０
N３０
中华人民共和国国家标准
GB/T ４３１５．２-２００９／ISO ９３３５：１９９５
代替GB/T ４３１５．２-１９８８
光学传递函数 第２部分：测量导则
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
１ 范围
GB/T ４３１５的本部分规定了成像系统光学传递函数（ＯＴＦ）测量装置结构和用途的通用导则。
本部分叙述了可能影响ＯＴＦ测量的各个重要因素，同时规定了测量装置性能要求和环境控制的
一般规则。
本部分规定了为保证精确测量所必须注意的要点，以及测得数据的修正因子。
本部分所描述的光学传递函数测量装置，限制在分析被测光学成像系统像平面上的辐射分布。这
些装置不包括以干涉仪为基础的仪器。
２ 规范性引用文件
下列文件中的条款通过GB/T ４３１５的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文
件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成
协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本
部分。
４．１．１ 测量条件和成像状态
任何ＯＴＦ测量都应以成像系统的成像状态为依据。因此，在进行测量之前，必须确定系统成像状
态的各个参数以及成像状态对这些参数的依赖程度。整组成像状态的参数都必须调整到要求的值。这
组参数值表示为一个特定的成像状态，并成为测量条件的重要组成部分。
４．１．２ 测量准确度
ＯＴＦ测量准确度是由成像状态的许多单一参数所引起的误差综合而成。所采用的测量装置和环
境必须允许把规定的测量条件调整并固定到一定的准确度，而这一准确度应与所需的测量精度相协调。
确定了ＯＴＦ测量所需的准确度之后，就必须对成像状态中的每一个有影响的参数进行公差分配。因
此，如果 ＭＴＦ测量的总精度要求达到±０．０５，那么在各参数中，测量装置的温度稳定性需达到±１℃，
而焦平面调整需达到±５μｍ。下面条款中关于仪器和环境稳定性的讨论将涉及根据本条所述的ＯＴＦ
测量准确度要求来进行公差分配。
４．３．１ 光学台
任何测量装置必须由一个坚固的光具座或光学台组成。它被用来安置测试图样组件、被测样品、像
分析器和其他辅助组件。
根据被测成像系统的不同情况，应对各个调整环节的直线性和各导轨的平行性等提出不同要求。
对偏离上述任一要求而引起的 ＭＴＦ测量的变化应不大于允许的或规定测量准确度的１／３。
４．３．２ 离焦允差
因光具座的不对准而产生的离焦影响，导致了 ＭＴＦ的测量误差。离焦和 ＭＴＦ的变化程度与空间
频率和F数有关。表１给出对一个带有圆光瞳的非相干照明的衍射受限透镜引起 ＭＴＦ改变±０．０５
时的离焦量±ΔZ。光的波长取５００ｎｍ。
４．３．３ 测量中相对位置的确定
必须确定测试图样、被测系统或装置（被测样品）、像分析器及辅助系统的相对位置。这些辅助系统
包括标尺、转轴、底盘等。此外，所有影响被测样品成像状态的其他参数必须加以控制、调整或确定。
４．４ 测量装置的组成
下列各条款将介绍测量装置基本组成部分的详细情况，包括测试图样组件、被测样品、像分析器和
辅助成像系统。
测量装置可以有各种各样的布局，下面是推荐的布局：
４．４．１．１ 物和像均处于有限远
对物和像均处于有限远的测试，可采用图１或图２所示的布局。在这些布局中，三个基本组件（被
测样品、测试图样组件和像分析器）中的两个组件是沿着两个相互平行的，而且又与参考轴垂直的导轨
移动。通常被测样品被固定，而其他两个组件作图上所示的移动。
当测试像增强器这一类光电器件时，则采用辅助成像系统。在被测样品的输入端产生一个测试图
样的像，并将输出端的像传送到像分析器，相应的布局如图２所示。
４．４．１．２ 物处于无限远
对物处于无限远的测试，可采用与图３相类似的布局。当进行轴外测量时，准直仪可绕通过被测样
品入瞳中心并垂直于参考轴的轴线旋转ω角度，如图３所示。
反之，可使准直仪固定，被测样品和像分析器一起绕入瞳中心旋转，在此情况下，被测样品装夹座和
像分析器导轨需刚性固定在一个转动基座上。
４．４．２．１ 测试图样
根据被测样品的特性，通常可采用圆形光孔、狭缝、刃边、光栅以及已知几何形状的自发光测试图
样。用来测量ＯＴＦ的测试图样的空间频谱必须已知，几何形状应非常精确。例如在使用狭缝的情况
下，狭缝的宽度需在整个有效长度内保持一致。狭缝两个刃边的平行度允差为它的平均宽度的２％，而
刃边的直线度应不超过平均宽度的１０％。在规定狭缝自身允差的同时，也需要规定狭缝周围的透射
比。根据所需测量精度，在规定的光谱范围内狭缝开启部分发出的总辐射通量与周围暗的部分发出的
总辐射通量之比必须大于１０００。
为了能在不同的方位进行ＯＴＦ测量，对于非旋转对称的测试图样必须能变换方位，某些成像系统
要旋转测试图样的像，因而为了能把测试图样的像或分析元件转到分析所要求的适当方位，还需要有一
个精密的调节机构。
为了能检查并满足等晕区的条件，测试图样的大小必须是可调的。
４．４．２．２ 辐射源
光源的光谱发射以及在全空间的辐射分布在测量过程中必须保持恒定，并应消除光的脉动。
测试图样必须均匀照射或发光，至少在扫描方向上应是这样。
可以用滤光片来得到所要求的光谱分布，并需防止测试图样因过热而损坏。散热栅、漫射器、有限
孔径或其他元件均可用来得到所需的辐射角分布。
必须充分注意测试图样发出的辐射的非相干性。当聚光镜在测试图样一侧的数值孔径为被测样品
数值孔径的两倍时，就能得到足够的非相干性。此外，可以在光源和测试图样之间紧靠测试图样插入一
个漫射器，也能获得非相干辐射。假如测试图样是自身发光的（例如一根白炽灯丝），则非相干条件将始
终得到满足。要测定测试图样的辐射是否充分地非相干，可在光源和测试图样之间紧靠测试图样插入
一个相位板，并检验它是否改变了 ＭＴＦ或ＰＴＦ的测量。
４．４．３ 被测样品的安装
为了能在不同的参考角进行检验，被测样品必须能相对于测试图样旋转。
被测样品与装夹座的垂直性和平行性也必须检验，尤其是样品安装面与装夹座固定面之间使用连
接器时更需注意。
４．４．４ 像评价系统
像评价系统由像分析器和任何一种用来计算ＯＴＦ的处理装置组成。通常使用的像分析系统有两
种基本形式：第一种是直接模拟傅立叶变换，它是由一个带有可变空间频率的分析元件来对狭缝测试图
样像的辐射分布进行扫描，得到像面空间频谱，也可反过来扫描。第二种是测量狭缝测试图样像的辐射
分布并计算像面空间频谱，经适当归一后，即为ＯＴＦ。必须注意像分析器中的辐射探测器和电子信号
处理系统应在线性区域工作，考虑了测试图样空间频谱和其他因素的修正使用以后（见第５章），就得出
了被测样品的ＯＴＦ或 ＭＴＦ。频谱分析的精度必须充分满足测量准确度的要求。
分析元件通常有狭缝、刃边或光栅，它们的大小和方位必须能根据被分析的像而进行调节。
由分析元件与像之间的相对运动来实现扫描，既可移动测试图样，也可移动部分分析元件。扫描长
度应保证ＯＴＦ测量精度所需要的全部信息（见５．３．４）。
辐射探测器的光谱灵敏度和角灵敏度必须已知，并在测量条件中予以规定。在定位时，分析器不应
限制被测样品的出射孔径。
必须注意防止探测器的不均匀性、非线性及不稳定性对测量精度的明显影响。
由分析元件周围暗的部分传递到探测器的辐射必须保持极小。根据所要求的测量精度，在规定的
光谱区域内，由透光部分传递的能量必须超出由周围暗的部分传递能量的１０００倍。
如果通过模拟电学滤波器来分析像的频谱，那么滤波器的带宽必须足够窄，以便能分辨ＯＴＦ的空
间频率。如果通过使用多个滤波器来进行频谱的分解，则每个滤波器通频带内的增益和相位必须补偿
或修正。
４．４．５ 辅助成像系统
辅助成像系统包括准直仪、显微物镜以及其他辅助元件。如果使用准直镜，则在有效光谱区域内，
它的波面像差必须足够小，以致与被测样品相比可以忽略不计，可以为被测样品波面像差的１／１０。准
直仪不许限制被测样品的入射和出射孔径。
当用显微物镜放大测试图样的像时，应使它的数值孔径足够大，以避免在轴上和轴外测量时的渐
晕，并且它的像差与被测样品相比应很小。
当使用非相干耦合的辅助成像系统时，其ＯＴＦ必须已知，以便使它们对测得的ＯＴＦ的影响可用
乘积的法则来修正。由于被测样品的物场和像场之间还有辅助的光学元件，例如窗或分划板等，因此在
测量装置中必须模拟这些元件。
应确保所有辅助成像元件的光谱特性与测量所要求的光谱特性相适应。
５．２．１ 环境
环境参数如温度、湿度和气压都是测量条件的组成部分。在开始测量之前，应保证温度、湿度调整
到限定范围内。被测样品光学表面应消除灰尘、手指印等。
５．２．２ 光谱特性
测试图样所发出的光谱分布和像分析器的光谱灵敏度，必须符合所要求的测量条件。
如果被测样品不包括像增强器等光电器件时，测量装置的总光谱特性是光源、探测器、滤光片和其
他辅助元件的光谱特性的组合。
５．２．３ 角分布和孔径条件
应把光源和／或漫射器射到被测样品上的辐射的角分布调整到所要求的状态，且辐射应只受被测样
品的入瞳的限制，像分析器的角响应必须满足规定的测量条件。
５．２．４ 成像比尺、放大率
成像比尺的调整与调焦有关。
当一个透镜或一个反射镜系统在有限共轭下进行测试时，可以规定成像比尺、物像距离或后截距。
如果已规定了放大率和节面位置，则利用牛顿的透镜公式可计算出相应的物的位置。
如果一个透镜或一个反射镜系统必须在无限共轭下进行测试，则测量布局应按４．４．１的规定。
如果被测样品是一个光电成像元件（如像增强器），则成像比尺须用适当的方法确定。测量系统中
的任何一个辅助光学系统的成像比尺，都必须相互独立地进行调节。如果被测样品是由几个光学元件
或光学元件和光电元件组成，则每单个元件的成像比尺必须能单独调整。
注：使用周期性的测试图样时，空间频率的局部缩放系数可由精确测量像平面上的周期来确定。
５．２．５ 调焦
调焦是测量条件的一部分，并用来确定基准平面。调焦不应使成像比尺的变化超过所要求的测量
准确度。
调焦依据可以是：
ａ） 在给定空间频率，将被测样品在轴上调焦到最大的 ＭＴＦ值。实际上基准平面常取位于中间
的一个平面（在最佳平面之前或之后）。在这个平面上 ＭＴＦ值下降到规定空间频率下
ＭＴＦｍａｘ的一个指定的百分比。
ｂ） 对于有像散和场曲的被测样品，可以规定一个最佳测量面。这个面可以在不同的测量平面、
视场位置以及测试图样的不同方向上预先测量 ＭＴＦ，然后按规定的法则取一个适当的平均值
来确定。
ｃ） 也可选用其他明显的特征，如最佳线扩散函数的峰值强度、最佳边缘梯度、最佳空间带宽等。
５．３ 测量的附加因素
ＯＴＦ测量要受某些附加参数的影响。因此，这些参数的调整必须经校正和检查。下面是几个最重
要的参数。
５．３．１ 被测样品的线性范围
被测样品必须在其线性范围内工作。对许多系统来说，可以通过以５倍的比例改变输入辐射的方
法来检查。这时测得归一的ＯＴＦ值的变化不能超过所要求的测量准确度。
如果一个非线性工作的成像系统，则允许偏离上述要求。这种情况见ＪＢ/T ５５２１、ＪＢ/T ５５２２、
ＪＢ/T ６７８４。
如果线性范围的下限不是零电平，如视频系统，则应用像的信号差来测量ＯＴＦ。这时像的信号差
可能是正信号，也可能是负信号，如视频系统的交流耦合响应。
这种现象的结果是测得的扩散函数的ＯＴＦ的模量在零空间频率时不是最大值。在归一方法中，
为了防止任意约定测量值，取ＯＴＦ在非常接近（或等于）零空间频率时归一化，这时测得的扩散函数的
傅立叶变换的模量达到最小值，这样与约定的情况最接近。
５．３．５ 背景辐射
背景辐射是输出辐射或输出信号的一部分，它不是由物所产生，而是由周围的光线或光电成像系统
的暗电流所引起。背景辐射使零空间频率和邻近零空间频率时的 ＭＴＦ值迅速提高，使ＯＴＦ的测量准
确度降低。
测量系统要尽量屏蔽可能来自周围的光线。由暗电流引起的背景辐射对测量信号起一个附加背景
信号的作用。当改变测试图样的辐射时，在零空间频率附近的ＯＴＦ应保持不变。如果背景信号对测
量信号的影响超过了测量准确度，则应在傅立叶变换之前予以减去。如果包括了背景信号在内的测量
信号的频谱和背景信号的频谱可以分别得到，则可以从测量频谱中减去背景频谱来消除背景辐射的
影响。
６．１ 归一
ＯＴＦ以零空间频率时归化为１来定义，但在测量中一般不可能严格做到这一点。出现这个问题是
由于分析区域的大小受到了限制，以及在零空间频率时ＯＴＦ值不存在。
当被测系统引入的杂散光忽略不计，且没有截断误差时，则可在要求的测量准确度范围内对测量值
进行归一化。
６．２ 频率刻度的修正
当进行轴外测量时，如果测试图样是位于准直仪焦平面上的一个光栅，则应对频率刻度作进一步的
修正。如果光栅处于子午方位，则频率刻度应乘以ｃｏｓ２ω；如果光栅处于弧矢方位，则应乘以ｃｏｓω。另
外需要改变狭缝的宽度......
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