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镜头性能曲线
爱特蒙特光学有限公司。

镜头性能曲线

成像资源指南2.6章节

了解和计算镜头性能可能是一项困难的任务。许多变化因素会影响镜头的性能,包括物理定律、设计标准和原理以及制造公差和误差。为了获得最佳系统性能,光学设计人员和最终用户可以访问多个可用于衡量镜头性能的指标。这些曲线通常提供用以帮助指定适当的镜头。

调制传递函数 (MTF)

调制传递函数(MTF)曲线是信息密集型指标,它反映镜头在空间频率(分辨率)变化时如何再现对比度。这些曲线能全面概括在按照应用需求确定的特定基本参数组合下,光学像差如何影响性能。更改视觉系统上的几乎任何设置(包括基本参数)都会改变曲线的性能特点,了解这一点十分重要。调制传递函数(MTF)与MTF曲线详细介绍了MTF的计算方式以及MTF的极限;成像系统中的5种基本参数中定义了基本参数。

图1显示了常见的MTF曲线类型,介绍了光学传递函数(对比度)和频率(分辨率)模块。分辨率涵盖关于如何确定频率的内容。该曲线概括了镜头在特定工作距离、f/#、传感器尺寸和波长范围下的性能。


图 1: MTF性能曲线描述了对比度与频率。

低于衍射极限的彩色线条表示镜头的MTF性能。它们对应于要使用的不同场高(在传感器内的位置)。在本例中,显示了三种不同的场高:轴上(蓝色),表示像圈中心;像圈直径的70%(绿色),表示大约成像区域的一半;和完整像圈(红色),这是正在使用的图像传感器的边角处。请注意,某些曲线会包含更多场点以便分析。

曲线内另一项值得注意的特性是实线和虚线(在曲线上以字母T和S表示)之间的差异,实线和虚线分别表示子午(T: yz)和弧矢或“径向”(S: xz)聚焦面。不对称所引起的像差(如散光)导致这些视场各有不同,因此没有单独的子午和弧矢轴上曲线。如果存在元件倾斜或偏心,则不对称也会导致不同的轴上T和S曲线。

MTF曲线是对比度和频率的映射。对MTF曲线的解释在很大程度上取决于应用。

景深 (DOF)

景深(DOF)图显示了当特定大小的细节(分辨率,作为频率给定)靠近或远离镜头,但没有重新调整焦距时,MTF如何变化。换言之,对比度在指定工作距离上下如何变化。图2显示了TECHSPEC®镜头数据表中提供的景深曲线类型。


图 2: 景深性能曲线显示对比度如何随工作距离更改而改变。e

景深图显示了基于图像侧固定空间频率(不考虑衍射极限)的恒定场高的MTF差异(各条颜色不同的曲线)。由于MTF在光轴的不同位置取样,因此系统引入了散焦。一般来说,引入散焦后,对比度会随之降低。朝向曲线底部的水平线显示了特定对比度级别(在本例中为20%)时的景深。普遍接受的使机器视觉系统保持准确结果的最低对比度是20%。

相对照明

相对照明曲线用于量化传感器内的照明水平变化。按照分析,照明变化可能会对最终图像产生不利影响。传感器的相对照明、衰减与光晕中关于相对照明的内容中详细介绍了会导致相对照明发生变化的因素。图3a中的曲线显示了典型的相对照明曲线,以及相对亮度(相对于图像中最明亮的点)和场高。


图 3a: 相对照明曲线显示不同f/#s下的相对亮度和场高。

各条不同曲线表示基于f/#的相对照明性能。请注意,随着f/#增大,相对照明一般也会增大。请小心,不要将这一概念与绝对亮度混淆,因为较高的f/#s会导致总体亮度降低。在f/# (镜头光圈/孔径设)了解更多关于f/#的信息。

x轴表示从传感器中央到传感器边角处的距离。y轴表示场内任何位置的照明量相对于最高照明点(通常为视场中心,设置为等于100%)的情况。为了清楚说明镜头的相对照明在不同传感器内的表现,绘图中包含了代表不同传感器对角线的虚线。图3b是图3a中的相对照明在实际图像(f/1.4)中的投射。有关相对照明的详细信息,请参见传感器的相对照明、衰减与光晕


图 3b: 此绘图显示了3a中的f/1.4蓝色曲线在2/3”图像传感器中会如何显示。

失真

在成像系统中,失真会导致光圈放大倍率随视场位置而更改。有许多方式可以表示失真,但图4显示了场高和集合失真百分比,这是镜头设计人员和工程师用来描绘失真特征的典型绘图。请在失真中了解有关失真的更多信息。图4中的绘图显示了放大倍率变动百分比(x轴)从图像中心移动到图像边角(y轴)期间的失真情况。绝对失真百分比越大,理想图像映射和失真图像映射之间的差异就越大。

Distortion Curve
图 4: 失真曲线描述从图像中心到边缘的放大倍率变动。
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