ISO 9335:2012
(Main)Optics and photonics — Optical transfer function — Principles and procedures of measurement
Optics and photonics — Optical transfer function — Principles and procedures of measurement
ISO 9335:2012 gives general guidance for the construction and use of equipment for measurement of the optical transfer function (OTF) of imaging systems. It specifies important factors that can influence the measurement of the OTF, and gives general rules for equipment performance requirements and environmental controls. It specifies important precautions that should be taken to ensure accurate measurements and correction factors to be applied to the collected data.
Optique et photonique — Fonction de transfert optique — Principes et procédures de mesure
L'ISO 9335:2012 fournit des lignes directrices concernant la construction et l'utilisation d'équipements pour mesurer la fonction de transfert optique (OTF) de systèmes de formation d'image. L'ISO 9335:2012 spécifie les facteurs importants pouvant influencer le mesurage de I'OTF, et donne des règles générales concernant les exigences de performance de l'équipement et les conditions d'environnement. Elle spécifie les précautions majeures à prendre pour assurer l'exactitude des mesurages et indique les facteurs de correction à appliquer éventuellement aux données recueillies.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 9335
Second edition
2012-10-01
Optics and photonics — Optical transfer
function — Principles and procedures
of measurement
Optique et photonique — Fonction de transfert optique — Principes et
procédures de mesure
Reference number
ISO 9335:2012(E)
©
ISO 2012
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ISO 9335:2012(E)
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Published in Switzerland
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ISO 9335:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Measuring equipment and environment . 1
4.1 General aspects . 1
4.2 Environment . 2
4.3 Measuring equipment . 2
4.4 System components . 3
5 Measurement procedures .10
5.1 General .10
5.2 Setting the measuring conditions .10
5.3 Additional considerations of measurement . 11
5.4 Particular measuring conditions .13
6 Corrections to measured data .14
6.1 Normalization .14
6.2 Correction of the frequency scale .14
6.3 Correction of the measured modulation .14
6.4 Auxiliary imaging systems .15
7 Presentation of OTF data .15
7.1 General .15
7.2 Statement of identification and measuring conditions .15
7.3 Graphical presentation of OTF data .16
7.4 Numerical presentation .17
8 Accuracy checks .17
Annex A (informative) Examples of the presentation of OTF data .19
Bibliography .24
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ISO 9335:2012(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 9335 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 1,
Fundamental standards.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 9335:1995), of which it constitutes a minor
revision. It also incorporates the Technical Corrigendum ISO 9335:1995/Cor.1:2005.
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ISO 9335:2012(E)
Introduction
The optical transfer function is an important aid to objective evaluation of the image-forming capability of
optical, electro-optical and photographic systems.
In order that optical transfer function measurements achieved using different measuring principles or obtained
from measuring instruments in different laboratories can be compared, it is necessary to ensure equivalence
of measurement parameters such as focus setting and spatial frequency range. For this reason, an agreed
terminology has been defined in order for the measurement parameters used in this International Standard to
be understood by all users. This International Standard gives guidance for the construction and operation of
equipment for optical transfer function measurement.
The specifications in this International Standard form the basic requirements of measurement instrumentation
and procedures for guaranteeing a defined accuracy of measurement of the optical transfer function.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 9335:2012(E)
Optics and photonics — Optical transfer function — Principles
and procedures of measurement
1 Scope
This International Standard gives general guidance for the construction and use of equipment for measurement
of the optical transfer function (OTF) of imaging systems.
This International Standard specifies important factors that can influence the measurement of the OTF, and
gives general rules for equipment performance requirements and environmental controls. It specifies important
precautions that should be taken to ensure accurate measurements and correction factors to be applied to the
collected data.
The OTF measuring equipment described in this International Standard is restricted to that which analyses
the radiation distribution in the image plane of the optical imaging system under test. Interferometer-based
instruments are outside the scope of this International Standard.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 9334, Optics and photonics — Optical transfer function — Definitions and mathematical relationships
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 9334 apply.
4 Measuring equipment and environment
4.1 General aspects
4.1.1 Measuring conditions
Any measured OTF depends on the imaging state (I-state) of the imaging system. Thus, before making
measurements, those parameters which form the I-state of the system shall be identified and the degree to which
the I-state depends on those parameters determined. The complete set of parameters that form the I-state shall
be set to fixed values. The fixed values represent a particular I-state and are called the measuring conditions.
4.1.2 Accuracy of measurement
The measuring equipment, and the environment in which it is used, shall allow the prescribed measuring
conditions to be set and maintained to a precision which is consistent with the required accuracy of measurement
(see ISO 11421, which describes the various parameters which have an impact on the accuracy of measurement).
The accuracy of an OTF measurement may be considered as the combination of measurement uncertainties
arising from the many separate parameters in the I-state. When a required accuracy of OTF measurement is
stated, it shall be apportioned among the known contributing parameters such that a tolerance can be set for
each parameter of the I-state. Thus, an overall requirement to an accuracy of measurement of ±0,05 of the
modulation transfer function (MTF) might require, among other factors, a temperature stability of the measuring
equipment of ±1 °C and focal plane setting to ±5 µm. The discussion of instrumental and environmental settings
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ISO 9335:2012(E)
in the following subclauses relates to tolerances apportioned from the required OTF measurement accuracy
in this manner.
4.2 Environment
4.2.1 General
The ambient conditions of the OTF equipment shall be kept sufficiently free from influences that can lead to
climatic, mechanical or electromagnetic disturbances. The measuring equipment and the atmosphere in the
measuring room shall be kept free from dust, moisture and smoke. All optical surfaces shall be protected from
the incidence of scratches and finger prints.
4.2.2 Temperature and humidity control
The temperature shall be kept constant within a stated tolerance and at a suitable value. Humidity shall also be
kept within acceptable limits. Both temperature and humidity shall be recorded. Air turbulence and stratification
may affect the measurement and shall be minimized through the use of shielding.
4.2.3 Vibration
Vibration shall be kept to a minimum and the use of basement space is recommended if vibration, caused for
example by machinery, cannot otherwise be avoided. The degree of vibration isolation for a given measuring
accuracy depends on the characteristics of the vibration, the measuring method, and the spatial frequency
range. If the method consists of measuring the line spread function, a suitable tolerance might be that the
movement of the image and the analyser caused by vibrations should not exceed, for example, 1/20 of the
width at half the maximum intensity of the test slit image.
4.2.4 Electromagnetic disturbances
For some systems, it can be necessary to monitor power supply vibrations and keep these to a tolerable
minimum. The influence of external electromagnetic fields and the level of ambient light shall be reduced until
they do not affect the measured OTF significantly.
4.3 Measuring equipment
4.3.1 Optical mounts
The basis of any measuring equipment shall be a sturdy optical bench or plate, to which mountings for the test
target unit, test specimen, image analyser and other auxiliary units can be attached and brought into position,
with respect to each other, to the required accuracy.
Depending on the imaging systems to be tested, different requirements can arise regarding the linearity of
adjustments and/or the parallelism of equipment slideways. Deviations from ideal linearity and parallelism
requirements shall not cause a greater change of the measured MTF than 1/3 of the permitted or specified
measurement accuracy.
4.3.2 Defocusing tolerance
For photographic lenses, the defocusing effects caused by bench misalignment result in errors in the measured
MTF which increase with rising spatial frequency or with decreasing f-number and reduced wavefront aberration.
Table 1 gives the defocusing tolerances of a diffraction-limited lens with circular pupil and incoherent illumination
that leads to a ±0,05 MTF change. The wavelength of the light is assumed to be 500 nm.
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Table 1 — Defocusing tolerances
Dimensions in micrometres
Defocusing tolerance for spatial frequency
−1
f-number
mm
1 5 10 20 50 100
1 45 9 4,5 2,3 1,0 0,5
1,4 62 12,5 6,3 3,2 1,4 0,8
2 89 18 9 4,7 2,0 1,1
4 180 36,5 18,8 9,8 4,6 3
8 360 74 39 21,5 12 12,2
16 720 157 86 54 49 468
NOTE For a change of 0,10 in MTF, defocusing tolerances are twice those shown in this table.
4.3.3 Provision of measuring scales
The measuring equipment shall provide adequate means for determining the positions of test target, system or
device under test (test specimen), image analyser and auxiliary systems. These include scales, spindles and
dial gauges. Furthermore, means shall be provided to monitor, set or determine all other parameters that form
the I-state of the specimen.
4.4 System components
4.4.1 General
The following subclauses give details concerning the measuring arrangement and its basic elements including
the test target unit, test specimen, image analyser and auxiliary imaging systems.
4.4.2 Optical benches
4.4.2.1 General
Several arrangements of the measuring equipment are possible, but those in 4.4.2.2 to 4.4.2.5 are recommended.
4.4.2.2 Object and image at finite conjugates
For tests in which object and image are at finite distances from the test specimen, the configurations shown in
Figure 1 or 2 shall be used. In these arrangements, two of the three basic units (test specimen, test target unit
and image analyser) are moved along slideways parallel to one another and perpendicular to the reference
axis. Usually, the test specimen is fixed and the other two units moved as shown in Figures 1 and 2.
When electro-optical components such as image intensifiers are to be tested, auxiliary imaging systems are
used to produce an image of the test pattern at the input of the test specimen. The image at the output of the
test specimen is then relayed to the image analyser. The corresponding arrangement is shown in Figure 2.
4.4.2.3 Nominal infinite object conjugate
For tests in which the object conjugate is infinite (i.e. the test target is at the principal focus of a collimator),
arrangements similar to that shown in Figure 3 shall be used. When off-axis measurements are to be made, the
collimator may be rotated by an angle ω about an axis passing through the entrance pupil of the test specimen
and perpendicular to the reference axis (see Figure 3).
Alternatively, the collimator may be fixed and the test specimen and image analyser rotated together about
the entrance pupil. In this case, the mounting fixture for the test specimen and the image analyser slideway
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are both rigidly fixed to a rotating baseplate (this arrangement is consequently often referred to as the “rotary
table” type).
4.4.2.4 Nominal infinite image conjugate
The same arrangement as described in 4.4.2.3 (see Figure 3) shall be used, with the image analyser and test
target unit interchanged.
4.4.2.5 Object and image at nominal infinite conjugates
For systems which are tested with both the object and image at infinite conjugates, arrangements similar to
those shown in Figure 4 shall be used. When off-axis measurements are to be made, the object side collimator
with the test target unit should be rotated by an angle ω about an axis passing through the entrance pupil and
perpendicular to the reference axis of the test specimen. The image side decollimator, together with the image
analyser, shall be rotated by an angle ω′ about an axis passing through the exit pupil and perpendicular to the
reference axis and shall be refocused according to the test criteria.
4.4.3 Test target unit
4.4.3.1 General
The test target unit shall consist of a source of radiation and a test target.
4.4.3.2 Test target
Depending on the characteristics of the test specimen, several different types of test target may be used. Circular
apertures, slits, edges, gratings and self-luminous test targets such as incandescent wires are commonly used.
The spatial frequency spectrum of the test target used for the OTF measurement shall be known with an accuracy
that is determined by the required measuring accuracy. The actual frequency spectrum of the test target usually
differs from its ideal (geometrically predicted) spectrum. If the actual spectrum cannot be measured, precautions
shall be taken to ensure that the target is as close as necessary to the specified geometry.
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a) On-axis
b) Off-axis
Key
1 test target unit (TTU)
2 TTU slideway
3 fixture for test specimen
4 test specimen
5 image analyser slideway
6 image analyser
z reference axis
h, h′ object, image heights
Figure 1 — Schematic test setup: object and image at finite conjugates
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a) On-axis
b) Off-axis
Key
1 TTU
2 TTU slideway
3 relay lenses
4 fixture for test specimen
5 test specimen
6 image analyser slideway
7 image analyser
z reference axis
h, h′ object, image heights
Figure 2 — Schematic setup for image intensifiers
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ISO 9335:2012(E)
a) On-axis
b) Off-axis
Key
1 TTU
2 collimator
3 fixture for test specimen
4 test specimen
5 image analyser slideway
6 image analyser
z reference axis
ω
object field angle
h′ image height
Figure 3 — Schematic test setup: object at infinity
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ISO 9335:2012(E)
a) On-axis
b) Off-axis
Key
1 TTU
2 collimator
3 fixture for test specimen
4 test specimen
5 image-side decollimator
6 image analyser slideway
7 image analyser
z reference axis
ω, ω′ object and image field angles
Figure 4 — Schematic test setup: object and image at infinity
EXAMPLE In the case of a slit, its width should remain constant over the effective length. A typical tolerance on
the parallelism of the edges of a slit is 2 % of its average width and the edge roughness should not exceed 10 % of this
average width. As well as specifying the tolerances of the slit itself, it is also necessary to specify the transmittance of
the surroundings to the slit. Depending on the required measurement accuracy, the ratio of the total radiant flux from the
open slit area to the total radiant flux from the dark surrounds should not be less than a specified factor. A factor of 1 000
is usually sufficient for most optical systems.
In order to be able to perform OTF measurements in different azimuths, it shall be possible to alter the direction
of non-rotationally symmetric test targets. Some imaging systems rotate the image of the test targets, therefore
a fine adjustment can be necessary in order to turn the image of the test target or the analysing element to the
proper azimuth for analysis.
The extent of the test target shall be controllable in order that the condition for an isoplanatic region can be
checked and satisfied.
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4.4.3.3 Irradiation
The spectral emission and the overall spatial radiation distribution of the source shall be kept constant and free
from ripple during the period of measurement.
The test target shall be irradiated or radiate uniformly in the direction of the scan.
Filters may be used to obtain the desired spectral distribution and to prevent the test target being damaged
by overheating.
Radiating screens, diffusers, limiting apertures or other components can be used to obtain the required angular
distribution of the radiation.
The radiation from the test target shall be sufficiently incoherent. Adequate incoherence is in most cases
obtained when the numerical aperture of the condenser, on the test target side, is twice as large as that of the
test specimen. In addition, incoherence may also be achieved by inserting a diffuser between the source and
the test target in close proximity to the target. If the test target is self-luminous (e.g. an incandescent wire), the
incoherence condition will always be fulfilled.
One test to determine whether the irradiation of the target is sufficiently incoherent is to insert a phase plate
between the light source and the test target in close proximity to the target and verify that it does not alter the
measured MTF or PTF.
4.4.4 Mounting of the test specimen
The test specimen shall be rotatable to the test target so that it can be checked at different reference angles.
The alignment of the test specimen with the mounting fixture shall also be checked, especially where adaptors
are used between the mounting face of the specimen and the face of the fixture.
4.4.5 Image evaluation system
The image evaluation system comprises the image analyser and any associated signal processing apparatus
used to evaluate the OTF. Two basic forms of image evaluation system are in common use. The first of these
performs a direct analogue Fourier transformation by scanning the irradiance distribution in the image of a slit
test pattern with a variable spatial frequency analysing element. The second method measures the irradiance
distribution in the image of a slit test pattern and computes the image plane spatial frequency spectrum which,
suitably normalized, is the OTF. It is important that the radiation detector in the image analyser and the signal
processing circuits operate within their linear ranges. After the application of corrections to take account of the
spatial frequency spectrum of the test target and other factors (see Clause 5), the result is the OTF or the MTF
of the test specimen. The precision of the frequency analysis shall be sufficient to remain within the required
overall measurement accuracy.
The analysing element is usually a slit, an edge, or a grating whose dimensions and orientation are adjustable
in accordance with the image to be analysed.
Scanning is effected by relative motion of the analysing element with respect to the image. Provided the
temporal characteristics and non-isoplanatism of the test specimen cause no measuring inaccuracies and the
local scaling factor is known, either the test target or the analysing element may be the moving part.
The length of scan shall be sufficient to extract from the image all the information necessary to compute the
OTF with the required accuracy (see 5.3.5.)
The spectral and angular sensitivity of the radiation detector shall be known and specified in the measuring
conditions and the analyser shall not be the limiting factor in setting the output aperture of the test specimen.
Precautions shall be taken to ensure that inhomogeneities, non-linearity and instability of the detector do not
influence the measurement accuracy significantly. For example, power supplies shall be stabilized and the
effects of local variations in the sensitivity of the photocathode surface are eliminated by the use of diffusers.
The influence of strong local electromagnetic radiations should also be considered.
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ISO 9335:2012(E)
The radiation transmitted by the dark surround of the analysing element and impinging on the detector shall be
kept to a minimum. Depending on the measuring accuracy required, the energy transmitted by the open area
shall exceed the energy transmitted by the dark surround by a factor of at least ×1 000 within the specified
spectral range.
If the spatial frequency spectrum of the image is analysed with an analogue electric filter, the bandwidth of the
filter shall be narrow enough to resolve the spatial frequency spectrum of the OTF. If the spectrum analysis is
carried out using multiple filters, the filter characteristics such as the gain and the phase within the passband
shall be equalized or corrected for each filter.
4.4.6 Auxiliary imaging systems
If an auxiliary imaging system, such as a collimator used for the simulation of long object distances or as a part
of the image analyser, is included with the test specimen, then its wavefront aberration, within the effective
spectral range, shall be small enough to be negligible in comparison with that expected for the test specimen
(for example by a factor of 1/10). The collimator shall not limit the entrance or exit apertures of the test specimen.
If a microscope objective lens is employed for the enlargement of the image of the test target, care shall be taken
that its numerical aperture is sufficiently large to avoid vignetting for both on-axis and off-axis measurements,
and that its aberration shall be small compared with that of the test specimen.
If incoherently coupled auxiliary imaging systems are used, for example when testing image intensifier tubes,
their OTF shall be known so that their influence on the measured OTF may be corrected using the product rule
[see Equation (1)]. If, under application conditions, auxiliary optical elements, such as windows or graticules,
are present between the object field and the image field of the test specimen, these elements shall be included
or simulated in the measuring instrument.
Care shall be taken to ensure that the transmittances of all auxiliary imaging components are compatible with
other required spectral characteristics.
5 Measurement procedures
5.1 General
Prior to the actual measurement, the measuring conditions that specify a particular I-state of the test specimen
shall be set to their prescribed values. The precision with which those settings are made shall be noted and
their influence on the overall measurement accuracy assessed.
After the measurement, corrections might be required to take into account the measuring principle and
measuring equipment employed. The application of such corrections is described in Clause 6.
5.2 Setting the measuring conditions
5.2.1 General
In 5.2.2 to 5.2.6, general remarks are made on the setting of the measuring conditions and their influence
on measurement accuracy. Only those measuring conditions that are similar for all imaging systems are
considered. Special requirements for particular systems are given in ISO 9336 (all parts).
5.2.2 Environmental conditions
Environmental parameters such as temperature, humidity and air pressure are part of the measuring conditions.
It is necessary to ensure that they are within acceptable limits before commencing measurements.
The test specimen shall be free of dust and fingerprints.
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5.2.3 Spectral characteristics
The spectral distribution of the test target radiation and the spectral responsivity of the image analyser shall be
set according to the required measuring conditions, for example by the inclusion of appropriate filters.
If the test specimen does not convert the input radiation into radiation with a completely unrelated spectral
distribution (as is done by electro-optical imaging systems), it is sufficient to specify the overall characteristics
of the combination of source, detector, filter and other auxiliary components used.
5.2.4 Angular distribution and aperture considerations
The angular distribution of the radiation impinging on the test
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 9335
Deuxième édition
2012-10-01
Optique et photonique — Fonction
de transfert optique — Principes et
procédures de mesure
Optics and photonics — Optical transfer function — Principles and
procedures of measurement
Numéro de référence
ISO 9335:2012(F)
©
ISO 2012
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ISO 9335:2012(F)
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quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit
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Publié en Suisse
ii © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 9335:2012(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Équipement de mesure et environnement . 1
4.1 Aspect général . 1
4.2 Environnement . 2
4.3 Équipement de mesure . 2
4.4 Composants du système . 3
5 Modes opératoires de mesure .10
5.1 Généralités .10
5.2 Établissement des conditions de mesure .10
5.3 Considérations supplémentaires relatives aux mesurages .12
5.4 Conditions particulières de mesure .14
6 Corrections à apporter aux résultats de mesure .15
6.1 Normalisation .15
6.2 Correction de l’échelle des fréquences spatiales .15
6.3 Correction de la modulation mesurée .15
6.4 Systèmes optiques auxiliaires .15
7 Présentation des données relatives à l’OTF .15
7.1 Généralités .15
7.2 Énoncé des conditions de mesure et d’identification .16
7.3 Présentation graphique des données d’OTF .16
7.4 Présentation numérique .17
8 Vérifications concernant l’exactitude .17
Annexe A (informative) Exemples de présentation des données relatives à l’OTF .19
Bibliographie .24
© ISO 2012 – Tous droits réservés iii
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ISO 9335:2012(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales,
en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 9335 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité SC 1,
Normes fondamentales.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 9335:1995), qui a fait l’objet d’une révision
mineure. Elle incorpore également le Rectificatif technique ISO 9335:1995/Cor.1:2005.
iv © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 9335:2012(F)
Introduction
Pour les systèmes optiques, électro-optiques ou photographiques, la fonction de transfert optique permet
d’évaluer objectivement leur aptitude à former une image.
Pour que les mesures de fonction de transfert optique réalisées selon différents principes de mesure, ou obtenues
à l’aide d’instruments de mesure dans différents laboratoires, puissent être comparées, il est indispensable
qu’il y ait une équivalence des paramètres de mesure, tels que le réglage de focalisation et l’intervalle de
fréquence spatiale. De ce fait, une terminologie convenue a été définie pour que les paramètres de mesure,
pris en compte dans la présente Norme internationale, soient bien compris de tous les utilisateurs. La présente
Norme internationale donne des recommandations qui concernent la construction et le fonctionnement de
l’équipement destiné au mesurage de la fonction de transfert optique.
Les spécifications indiquées dans la présente Norme internationale constituent des exigences fondamentales
relatives à l’instrumentation et aux procédures de mesure, permettant de garantir une exactitude bien définie
du mesurage de la fonction de transfert optique.
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NORME INTERNATIONALE ISO 9335:2012(F)
Optique et photonique — Fonction de transfert optique —
Principes et procédures de mesure
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale fournit des lignes directrices concernant la construction et l’utilisation
d’équipements pour mesurer la fonction de transfert optique (OTF) de systèmes de formation d’image.
La présente Norme internationale spécifie les facteurs importants pouvant influencer le mesurage de l’OTF,
et donne des règles générales concernant les exigences de performance de l’équipement et les conditions
d’environnement. Elle spécifie les précautions majeures à prendre pour assurer l’exactitude des mesurages et
indique les facteurs de correction à appliquer éventuellement aux données recueillies.
Le type d’équipement de mesure de la fonction de transfert optique décrit dans la présente Norme internationale
est limité à celui effectuant l’analyse de la répartition énergétique dans le plan de l’image du système optique
soumis à essai. Les instruments mettant en œuvre un interféromètre sont exclus.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 9334, Optique et photonique — Fonction de transfert optique — Définitions et relations mathématiques
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 9334 s’appliquent.
4 Équipement de mesure et environnement
4.1 Aspect général
4.1.1 Conditions de mesure
Chaque fonction de transfert optique mesurée dépend de la «fonction d’imagerie» du système de formation
d’image. Ainsi, avant de procéder aux mesurages, les paramètres entrant dans la «fonction d’imagerie» du
système doivent être identifiés et la relation entre la qualité de l’image et ces paramètres doit être déterminée.
L’ensemble complet des paramètres qui forment la «fonction d’imagerie» doit être réglé à des valeurs fixes.
Ces valeurs représentent un état particulier de la «fonction d’imagerie» appelé «conditions de mesure».
4.1.2 Exactitude de mesure
L’équipement de mesure et l’environnement dans lequel il est utilisé doivent permettre de fixer les conditions de
mesure spécifiées et de conserver une exactitude répondant à l’exactitude de mesure requise (voir l’ISO 11421
qui décrit les divers paramètres influençant l’exactitude de mesure). L’exactitude d’un mesurage de fonction de
transfert optique peut être considérée comme une combinaison des incertitudes de mesure dues aux nombreux
paramètres individuels impliqués dans la «fonction d’imagerie». Lorsqu’une exactitude donnée de mesure de
l’OTF est stipulée, celle-ci doit être répartie entre les paramètres connus contribuant au mesurage, de manière
qu’une tolérance puisse être fixée pour chacun des paramètres de la «fonction d’imagerie». C’est pourquoi
l’exigence d’une exactitude de mesure globale de ±0,05 de la fonction de transfert de modulation (MTF) peut
nécessiter, parmi d’autres facteurs, une stabilité de température de l’équipement de mesure de ±1 °C et un
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réglage du plan focal de ±5 μm. L’examen des données se rapportant à l’instrumentation et à l’environnement,
dans les paragraphes suivants, se réfère aux tolérances réparties de cette manière concernant l’exactitude
requise de mesure de la fonction de transfert optique.
4.2 Environnement
4.2.1 Généralités
Les conditions ambiantes de l’équipement de mesure de l’OTF doivent être suffisamment protégées des
influences pouvant conduire à des perturbations climatiques, mécaniques ou électromagnétiques. L’équipement
de mesure et l’atmosphère de la salle de mesure doivent être exempts de poussières, d’humidité et de fumées.
Toutes les surfaces optiques doivent être préservées d’empreintes de doigts ou de manipulations susceptibles
de les rayer.
4.2.2 Contrôle de la température et de l’humidité
La température doit être maintenue constante, dans des tolérances établies, et fixée à une valeur convenable.
L’humidité doit être également maintenue dans des limites acceptables. La température et l’humidité doivent
toutes deux être notées. Toute turbulence ou stratification de l’atmosphère pouvant affecter les mesurages doit
être réduite au minimum par l’interposition d’écrans.
4.2.3 Vibrations
Toute vibration doit être réduite au minimum et il est recommandé d’implanter l’équipement de mesure dans un local
en sous-sol si des vibrations, causées par exemple par des machines, ne peuvent être évitées autrement. Le degré
d’isolement des vibrations, pour une exactitude de mesure donnée, dépend des caractéristiques de la vibration, de
la méthode de mesure, de l’intervalle de fréquence spatiale et de façon générale des paramètres de la «fonction
d’imagerie» du système optique mesuré. Si la méthode consiste à mesurer la répartition des éclairements dans
l’image d’une fente, une tolérance admissible peut être que le mouvement de l’image sur l’analyseur causé par des
vibrations ne dépasse pas, par exemple, 1/20 de la largeur à mi-hauteur de l’image de la fente.
4.2.4 Perturbations électromagnétiques
Dans le cas de certains systèmes, il peut être nécessaire de surveiller les vibrations de la tension d’alimentation
et de maintenir celles-ci à un minimum acceptable. L’influence de champs électromagnétiques externes et le
niveau de lumière ambiante doivent être réduits jusqu’à ce que la fonction de transfert optique mesurée ne soit
plus affectée de façon significative.
4.3 Équipement de mesure
4.3.1 Montage optique
Le support de tout équipement de mesure doit être constitué d’un robuste banc d’optique ou d’un marbre sur
lesquels peuvent être fixés le bloc source, le système mesuré, l’analyseur d’image et d’autres accessoires, ces
unités pouvant être positionnées les unes par rapport aux autres avec l’exactitude requise.
Selon les systèmes soumis à essai, les exigences à satisfaire en matière d’alignement et/ou de parallélisme
des plans correspondants pourront varier. Les écarts par rapport à ces exigences d’alignement et/ou de
parallélisme ne doivent pas provoquer une modification de la MTF mesurée supérieure à 1/3 de l’exactitude de
mesure spécifiée ou admissible.
4.3.2 Tolérance de défocalisation
Pour les objectifs photographiques, les effets de défocalisation causés par un défaut d’alignement du banc se
traduisent, en général, sur la MTF mesurée par une erreur qui croît lorsque la fréquence spatiale augmente
ou lorsque le nombre d’ouverture, f, diminue et que l’aberration de la surface d’onde est réduite. Le Tableau 1
donne, pour une lentille à pupille circulaire, en éclairage incohérent et uniquement limitée par la diffraction, les
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tolérances de défocalisation qui entraînent une variation de ±0,05 de la MTF. La longueur d’onde utilisée est
supposée égale à 500 nm.
Tableau 1 — Tolérances de défocalisation
Dimensions en micromètres
Tolérance de défocalisation pour une
Nombre fréquence spatiale
d’ouverture
−1
(en mm )
f
15 10 20 50 100
1 45 9 4,5 2,3 1,0 0,5
1,4 62 12,5 6,3 3,2 1,4 0,8
2 89 18 9 4,7 2,0 1,1
4 180 36,5 18,8 9,8 4,6 3
8 360 74 39 21,5 12 12,2
16 720 157 86 54 49 468
NOTE Pour un changement de 0,10 de la MTF, les tolérances de
défocalisation sont deux fois celles indiquées dans le tableau.
4.3.3 Moyens de mesure à prévoir
L’équipement de mesure doit posséder des moyens adéquats de détermination des positions relatives des
différents éléments de l’équipement de mesure: mire-objet/image, système ou dispositif en essai, dispositif
d’analyse d’image et dispositifs auxiliaires. Ceux-ci peuvent être des règles divisées, cercles gradués et
comparateurs. De plus, tous les autres paramètres qui affectent l’«état d’imagerie» du dispositif ou du système
en essai doivent être correctement contrôlés, choisis ou déterminés.
4.4 Composants du système
4.4.1 Généralités
Les paragraphes 4.4.2 à 4.4.6 donnent des précisions sont données concernant le dispositif de mesure et
ses principaux éléments, comprenant l’ensemble source «mire-objet», l’éprouvette, l’analyseur d’image et les
systèmes optiques auxiliaires.
4.4.2 Bancs optiques
4.4.2.1 Généralités
Plusieurs dispositions de l’équipement de mesure sont possibles, mais celles décrites de 4.4.2.2 à 4.4.2.5 sont
recommandées.
4.4.2.2 Plans conjugués objet et image à distances finies
Dans le cas d’essais où l’objet et l’image sont à des distances finies de l’échantillon d’essai, les configurations
de la Figure 1 ou de la Figure 2 doivent être utilisées. Dans ces dispositions, deux des trois unités de base
(échantillon d’essai, ensemble source/mire-objet et analyseur d’image) sont déplacées sur des glissières
parallèles entre elles et perpendiculaires à l’axe de référence. Habituellement, l’échantillon d’essai est fixe et
les deux autres unités sont déplacées comme représenté aux Figures 1 et 2.
Quand des composants électro-optiques tels que des amplificateurs de luminance doivent être soumis à essai,
on utilise des systèmes d’imagerie auxiliaires pour former une image de la mire-objet à l’entrée de l’échantillon
d’essai. L’image à la sortie de l’échantillon d’essai est alors reprise par l’analyseur d’image. La disposition
correspondante est montrée à la Figure 2.
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4.4.2.3 Plan objet à l’infini
Dans le cas où le plan objet est à l’infini (c’est-à-dire lorsque la mire-objet est au foyer principal d’un collimateur),
des dispositions similaires à celles montrées à la Figure 3 doivent être utilisées. Quand on veut faire des
mesurages hors de l’axe, le collimateur peut subir une rotation d’un angle ω autour d’un axe passant à travers
la pupille d’entrée de l’échantillon d’essai et perpendiculaire à l’axe de référence (voir Figure 3).
Le collimateur peut aussi être immobilisé et faire tourner l’ensemble formé par l’échantillon en essai et l’analyseur
d’image autour de la pupille d’entrée. Dans ce cas, le support de l’échantillon d’essai et les glissières de
l’analyseur d’image doivent être parfaitement solidaires et fixés sur un plateau tournant (cette disposition est
souvent désignée, de ce fait, comme type à «plateau tournant»).
4.4.2.4 Plan image à l’infini
La même disposition que celle décrite en 4.4.2.3 (voir Figure 3) doit être adoptée, l’analyseur d’image et la
mire-objet étant échangés.
4.4.2.5 Plans conjugués objet et image à l’infini
Dans le cas de systèmes afocaux en essai pour un objet et une image à l’infini, des dispositions similaires
à celles montrées à la Figure 4 doivent être utilisées. Lorsque des mesures en dehors de l’axe doivent être
effectuées, il convient que le collimateur côté objet et l’ensemble source/mire-objet subissent une rotation
d’un angle ω autour d’un axe passant à travers la pupille d’entrée et perpendiculaire à l’axe de référence de
l’échantillon d’essai. Le collimateur côté image ainsi que l’analyseur d’image doivent pivoter d’un angle ω′
autour d’un axe passant à travers la pupille de sortie et perpendiculaire à l’axe de référence; une retouche de
la mise au point (focalisation) pour répondre aux critères d’essai doit être faite.
4.4.3 Ensemble source/mire-objet
4.4.3.1 Généralités
L’ensemble source/mire-objet doit comprendre une source de rayonnement et une mire-objet.
4.4.3.2 Mire-objet
En fonction des caractéristiques du système ou du dispositif mesuré, plusieurs types différents de mire-objet
peuvent être utilisés. Des ouvertures circulaires, des fentes, des bords de plages, des réseaux ou des
structures lumineuses telles que les fils incandescents, sont communément utilisés. Le spectre des fréquences
spatiales de la mire-objet utilisée pour le mesurage de la fonction de transfert optique doit être connu avec une
exactitude déterminée par l’exactitude requise des mesures. Généralement, le spectre réel des fréquences
de l’objet servant aux essais diffère du spectre idéal (prévu géométriquement). Si le spectre réel ne peut être
mesuré, des précautions doivent être prises pour s’assurer que la mire est aussi proche que possible de la
forme qu’elle devrait avoir.
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a) Sur l’axe
b) Hors de l’axe
Légende
1 ensemble source/mire-objet
2 glissière de la mire-objet
3 fixation de l’échantillon d’essai
4 échantillon d’essai
5 glissière de l’analyseur d’image
6 analyseur d’image
z axe de référence
h, h′ hauteurs objet, image
Figure 1 — Schéma du montage de mesure: objet et image dans des plans conjugués
à distances finies
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a) Sur l’axe
b) Hors de l’axe
Légende
1 ensemble source/mire-objet
2 glissière de la mire
3 lentilles auxiliaires
4 fixation de l’échantillon d’essai
5 échantillon d’essai
6 analyseur d’image
7 glissière de l’analyseur
z axe de référence
h, h′ hauteurs objet, image
Figure 2 — Schéma du montage de mesure dans le cas d’un intensificateur
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a) Sur l’axe
b) Hors de l’axe
Légende
1 ensemble source/mire-objet
2 collimateur
3 fixation de l’échantillon d’essai
4 échantillon d’essai
5 glissière de l’analyseur d’image
6 analyseur d’image
z axe de référence
ω
angle du champ objet
h′ hauteur image
Figure 3 — Schéma du montage de mesure: objet à l’infini
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a) Sur l’axe
b) Hors de l’axe
Légende
1 ensemble source/mire-objet
2 collimateur
3 fixation de l’échantillon d’essai
4 échantillon d’essai
5 collimateur côté image
6 glissière de l’analyseur d’image
7 analyseur d’image
z axe de référence
ω, ω′ hauteurs objet, image
Figure 4 — Schéma du montage de mesure: objet et image à l’infini
EXEMPLE Dans le cas d’une fente, il convient que sa largeur demeure constante sur toute sa longueur utile. Une
tolérance type de parallélisme entre les bords d’une fente est 2 % de sa longueur moyenne. En spécifiant les tolérances de
la fente elle-même, il est également nécessaire de spécifier la transmission de l’entourage de la fente. Selon l’exactitude
requise des mesures, il convient que le rapport entre l’énergie rayonnante provenant de l’ouverture de la fente et l’énergie
totale de rayonnement émanant de l’entourage sombre de la fente dépasse un facteur spécifié. Un facteur de 1 000 est
ordinairement suffisant pour la plupart des systèmes optiques.
Pour que les mesurages de fonction de transfert optique puissent être faits dans différents azimuts, il est nécessaire
de pouvoir modifier l’orientation des mires-objets qui n’ont pas la symétrie de révolution. Certains dispositifs ou
systèmes «d’imagerie» soumis à essai peuvent faire tourner la mire-objet de sorte qu’un réglage fin peut être
nécessaire pour donner à l’image de la mire-objet ou à l’analyseur d’image l’orientation azimutale convenable.
L’étendue de la mire-objet doit être réglable de façon à pouvoir satisfaire à la condition d’existence d’une région
isoplanétique.
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4.4.3.3 Éclairement
L’émission spectrale et la répartition spatiale du rayonnement de la source doivent être maintenues constantes
et exemptes de fluctuations pendant la durée des mesurages.
La mire-objet doit être éclairée uniformément dans la direction du balayage du dispositif d’analyse.
Des filtres peuvent être utilisés pour obtenir la répartition spectrale désirée et pour éviter que la mire-objet ne
soit endommagée par un échauffement excessif.
Des écrans rayonnants, des diffuseurs, des diaphragmes ou d’autres composants peuvent être utilisés pour
obtenir une distribution angulaire du rayonnement conforme aux exigences.
Le rayonnement émanant de la mire-objet doit être spatialement incohérent à un degré suffisant. Dans la
plupart des cas, une incohérence suffisante est obtenue lorsque l’ouverture numérique du condenseur dans
l’espace de la mire-objet est deux fois plus grande que celle du système ou du dispositif soumis à essai. En
outre, l’incohérence peut être réalisée en insérant un diffuseur entre la source et la mire-objet à une distance
très proche de la mire-objet. Si cette dernière est lumineuse par elle-même (par exemple fils incandescents),
la condition d’incohérence sera toujours remplie.
Pour déterminer si le rayonnement de la mire-objet est suffisamment incohérent, on peut insérer au voisinage
immédiat de la mire-objet une lame de phase (introduisant des variations de phase) et vérifier que cela ne
modifie pas les MTF et PTF mesurées.
4.4.4 Montage de l’échantillon d’essai
L’échantillon d’essai doit pouvoir tourner par rapport à la mire-objet de façon à pouvoir être vérifié sous différents
angles de référence.
L’alignement de l’échantillon d’essai doit également être vérifié par rapport au support, surtout si des raccords
adaptateurs sont utilisés entre la face de montage de l’échantillon et la face correspondante du support de fixation.
4.4.5 Système d’évaluation de l’image
Le système d’évaluation de l’image comprend l’analyseur d’image et tout appareil de traitement du signal associé
utilisé pour évaluer la fonction de transfert optique. Deux formes essentielles de système d’évaluation d’image
sont communément utilisées. La première effectue directement de façon analogique une transformation de
Fourier en explorant la répartition du rayonnement dans l’image d’une fente avec un dispositif d’analyse à
fréquence spatiale variable. La seconde méthode mesure la répartition du rayonnement dans l’image d’une
fente et calcule le spectre des fréquences spatiales dans le plan image qui, après normalisation (pondération)
appropriée, représente la fonction de transfert optique. On doit veiller à ce que le détecteur de rayonnement de
l’analyseur d’image et les circuits de traitement du signal opèrent dans les limites de leurs intervalles linéaires.
Après avoir tenu compte des corrections s’appliquant au spectre des fréquences spatiales de la mire-objet,
ainsi que d’autres facteurs (voir Article 5), le résultat correspond à la fonction de transfert optique ou à la
fonction de transfert de modulation de l’échantillon d’essai. L’exactitude de l’analyse en fréquence doit être
suffisante pour atteindre l’exactitude globale exigée pour les mesurages.
L’élément analyseur est en général une fente, un bord de plage ou une mire dont les dimensions et l’orientation
peuvent être réglées en fonction de l’image à analyser.
L’exploration est effectuée par un mouvement relatif entre l’élément analyseur et l’image. À condition que la
bande passante temporelle et le défaut d’isoplanétisme du système ou dispositif soumis à essai ne provoquent
pas d’erreurs de mesure et que le facteur local de grandissement/grossissement soit connu, soit le système ou
dispositif soumis à essai, soit l’élément analyseur peuvent être déplacés.
La longueur de l’exploration doit être suffisante pour extraire de l’image toutes les informations nécessaires au
calcul de l’OTF avec l’exactitude requise (voir 5.3.5).
La sensibilité spectrale et la sensibilité angulaire du détecteur de rayonnement doivent être connues et
spécifiées dans les conditions de mesure, et l’analyseur ne doit pas être un facteur susceptible de limiter
l’ouverture de sortie du dispositif ou système soumis à essai.
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ISO 9335:2012(F)
Des précautions doivent être prises pour s’assurer que l’inhomogénéité, la non-linéarité ou l’instabilité du
détecteur n’influencent pas l’exactitude de mesure de façon significative. Par exemple, les alimentations
doivent être suffisamment stabilisées et les effets de variations locales de sensibilité de la photocathode du
détecteur éliminés par l’emploi de diffuseurs. Il convient également de prendre en compte l’influence de fortes
perturbations électromagnétiques locales.
Le rayonnement transmis par la région sombre entourant l’élément d’analyse et frappant le détecteur doit être
réduit au minimum. En fonction de l’exactitude de mesure requise, l’énergie transmise par la zone transparente doit
dépasser l’énergie transmise par son entourage sombre d’un facteur d’au moins 1 000 dans l’intervalle spécifié.
Si le spectre des fréquences de l’image est analysé avec un filtre électrique analogique, la bande passante doit
être suffisamment étroite pour résoudre le spectre des fréquences spatiales de la fonction de transfert optique.
Si l’analyse du spectre est effectuée en utilisant des filtres multiples, les caractéristiques de filtrage telles que
le gain et la phase, à l’intérieur de la bande passante, doivent être égalisées ou corrigées pour chaque filtre.
...
Questions, Comments and Discussion
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