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鏡頭性能曲線

來源:江陰韻翔光電技術有限公司   2017年07月21日 10:35  

了解和計算鏡頭性能可能是一項困難的任務。許多變化因素會影響鏡頭的性能,包括物理定律、設計標準和原理以及制造公差和誤差。為了獲得佳系統(tǒng)性能,光學設計人員和終用戶可以訪問多個可用于衡量鏡頭性能的指標。這些曲線通常提供用以幫助適當?shù)溺R頭。

 

調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)

調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線是信息密集型指標,它反映鏡頭在空間頻率(分辨率)變化時如何再現(xiàn)對比度。這些曲線能全面概括在按照應用需求確定的特定基本參數(shù)組合下,光學像差如何影響性能。更改視覺系統(tǒng)上的幾乎任何設置(包括基本參數(shù))都會改變曲線的性能特點,了解這一點十分重要。調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)與MTF曲線詳細介紹了MTF的計算方式以及MTF的極限;成像系統(tǒng)中的5種基本參數(shù)中定義了基本參數(shù)。

圖1顯示了常見的MTF曲線類型,介紹了光學傳遞函數(shù)(對比度)和頻率(分辨率)模塊。分辨率涵蓋關于如何確定頻率的內(nèi)容。該曲線概括了鏡頭在特定工作距離、f/#、傳感器尺寸和波長范圍下的性能。

圖 1: MTF性能曲線描述了對比度與頻率。

 

低于衍射極限的彩色線條表示鏡頭的MTF性能。它們對應于要使用的不同場高(在傳感器內(nèi)的位置)。在本例中,顯示了三種不同的場高:軸上(藍色),表示像圈中心;像圈直徑的70%(綠色),表示大約成像區(qū)域的一半;和完整像圈(紅色),這是正在使用的圖像傳感器的邊角處。請注意,某些曲線會包含更多場點以便分析。

曲線內(nèi)另一項值得注意的特性是實線和虛線(在曲線上以字母T和S表示)之間的差異,實線和虛線分別表示子午(T: yz)和弧矢或“徑向”(S: xz)聚焦面。不對稱所引起的像差(如散光)導致這些視場各有不同,因此沒有單獨的子午和弧矢軸上曲線。如果存在元件傾斜或偏心,則不對稱也會導致不同的軸上T和S曲線。

MTF曲線是對比度和頻率的映射。對MTF曲線的解釋在很大程度上取決于應用。

 

景深 (DOF)

景深(DOF)圖顯示了當特定大小的細節(jié)(分辨率,作為頻率給定)靠近或遠離鏡頭,但沒有重新調(diào)整焦距時,MTF如何變化。換言之,對比度在工作距離上下如何變化。圖2顯示了TECHSPEC®鏡頭數(shù)據(jù)表中提供的景深曲線類型。

圖 2: 景深性能曲線顯示對比度如何隨工作距離更改而改變。e

 

景深圖顯示了基于圖像側固定空間頻率(不考慮衍射極限)的恒定場高的MTF差異(各條顏色不同的曲線)。由于MTF在光軸的不同位置取樣,因此系統(tǒng)引入了散焦。一般來說,引入散焦后,對比度會隨之降低。朝向曲線底部的水平線顯示了特定對比度(在本例中為20%)時的景深。普遍接受的使機器視覺系統(tǒng)保持準確結果的低對比度是20%。

 

相對照明

相對照明曲線用于量化傳感器內(nèi)的照明水平變化。按照分析,照明變化可能會對終圖像產(chǎn)生不利影響。傳感器的相對照明、衰減與光暈中關于相對照明的內(nèi)容中詳細介紹了會導致相對照明發(fā)生變化的因素。圖3a中的曲線顯示了典型的相對照明曲線,以及相對亮度(相對于圖像中明亮的點)和場高。

圖 3a: 相對照明曲線顯示不同f/#s下的相對亮度和場高。

 

各條不同曲線表示基于f/#的相對照明性能。請注意,隨著f/#增大,相對照明一般也會增大。請小心,不要將這一概念與亮度混淆,因為較高的f/#s會導致總體亮度降低。在f/# (鏡頭光圈/孔徑設)了解更多關于f/#的信息。

x軸表示從傳感器中央到傳感器邊角處的距離。y軸表示場內(nèi)任何位置的照明量相對于高照明點(通常為視場中心,設置為等于)的情況。為了清楚說明鏡頭的相對照明在不同傳感器內(nèi)的表現(xiàn),繪圖中包含了代表不同傳感器對角線的虛線。圖3b是圖3a中的相對照明在實際圖像(f/1.4)中的投射。有關相對照明的詳細信息,請參見傳感器的相對照明、衰減與光暈。

圖 3b: 此繪圖顯示了3a中的f/1.4藍色曲線在2/3”圖像傳感器中會如何顯示。

 

失真

在成像系統(tǒng)中,失真會導致光圈放大倍率隨視場位置而更改。有許多方式可以表示失真,但圖4顯示了場高和集合失真百分比,這是鏡頭設計人員和工程師用來描繪失真特征的典型繪圖。請在失真中了解有關失真的更多信息。圖4中的繪圖顯示了放大倍率變動百分比(x軸)從圖像中心移動到圖像邊角(y軸)期間的失真情況。失真百分比越大,理想圖像映射和失真圖像映射之間的差異就越大。

圖 4: 失真曲線描述從圖像中心到邊緣的放大倍率變動。

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