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调制传递函数(MTF)与MTF曲线
爱特蒙特光学有限公司。

调制传递函数(MTF)与MTF曲线

成像资源指南3.2章节

MTF曲线同时显示分辨率和对比度信息,能够根据特定应用的需求评估镜头,并且可用于比较多个镜头的性能。如果使用得当,MTF曲线能够帮助确定应用实际上是否可行。有关如何读取MTF曲线的信息,请参见镜头性能曲线

图1是Sony ICX625传感器(具有2/3"传感器格式和3.45μm像素)上使用的12mm镜头的MTF曲线示例。该曲线显示了0 lp/mm到150 lp/mm(传感器的极限分辨率为145 lp/mm)频率范围内的镜头对比度。此外,此镜头的f/#设置为2.8(在PMAG为0.05X时设置),这能为20X的传感器水平尺寸生成大约170mm的视场。该FOV/PMAG将用于本部分中的所有示例。白光用于模拟光源。

MTF Curve for a 12mm Lens used on the SonyIXC625 Sensor
图 1: Sony ICX625传感器上使用的12mm镜头的MTF曲线

此曲线提供了各种信息。首先要说明的是,衍射极限由黑线表示。黑线表示频率为150 lp/mm时,理论上可实现的最大对比度大约为70%,其他任何镜头设计都无法超越该性能,无论其设计多么出色。此外还有三种颜色的线条:蓝色、绿色和红色。这些线条分别对应于镜头在传感器中心(蓝色)、0.7位置(传感器全视场70%位置处)(绿色)以及传感器边角处(红色)的性能。这清楚地表明,频率较低和较高时,在整个传感器以及整个视场内再现对比度的能力不相同。

此外,您还可以看到两条绿线和两条红线。这些线条表示子午和弧矢对比度分量,它们与视场中心之外的细节再现关联。由于像差影响,镜头会产生斑点,这些斑点并不是滚圆的,因此水平和垂直方向的尺寸不同。尺寸变化会导致斑点朝一个方向混合的速度快于另一个方向,而且在相同频率下,会在不同轴上生成不同的对比度级别。在针对给定应用评估镜头时,务必考虑这些值中较低值的影响。通常,最大程度地提高整个传感器内的对比度级别有利于在系统中获得最高水平的性能。

比较镜头设计和配置

示例1:比较两种不同的镜头设计(焦距(fl)相同,均为12mm,孔径为f/2.8

图2探讨了两款焦距相同(具有相同的视场、传感器和f/#)的不同镜头。这些镜头会产生尺寸相同,但性能不同的系统。按照分析,图2a中对比度为30%时的水平浅蓝色线表明视场内的任何位置基本上都能达到至少30%的对比度,这能够充分利用传感器的完整功能。对于图2b,几乎所有视场的对比度都低于30%。这意味着,仅传感器的一小部分能达到更好的图像品质。另外还请注意,两条曲线上的橙色方框表示图2b中对比度为70%时性能较低的镜头的截获频率。如果在图2a上放置了相同的方框,即使在较低的频率下,两个镜头之间也会出现显著的性能差异。

这些镜头的区别在于与克服设计约束和制造变化相关的成本;图2a则与更为复杂的设计以及更严格的制造公差相关。图2a在分辨率较低以及对分辨率要求较高的应用(要求具有相对较短的工作距离以获得较大的视场)中表现出色。图2b在需要更多像素以增强图像处理算法的保真度以及需要降低成本的情况下表现最佳。两种镜头都有各自适用的情况,具体取决于应用。

MTF Curves for Imaging Lens with f/2.8, 150mm WD, and 12mm FL
MTF Curves for Imaging Lens with f/2.8, 150mm WD, and 12mm FL
图 2: 两种镜头设计(a(top)和b(bottom),具有相同焦距、f/#和系统参数)的MTF曲线

示例2:两款具有不同焦距的高分辨率镜头设计:f/2.8时为12mm和16mm

图3探讨了两种焦距为12mm和16mm的高分辨率镜头(具有相同的视场、传感器和f/#)。查看镜头在图3b中的奈奎斯特极限下的对比度(浅蓝色线),将其与图3a比较时会发现显著的性能提升。尽管绝对差异只有大约10 - 12%的对比度,但考虑到对比度从大约33%更改为42%,相对差异更接近33%。本图上放置了另一个橙色方框,这时图3a的对比度已达到70%。请注意,此级别的差异不像上一个示例中那么极端。在这些镜头间取舍时要注意,图3b中的镜头工作距离增加了大约33%,但性能也有不俗的提升。这符合在11取得卓越成像的11种最佳实践中提出的一般指导原则。

High Resolution Lens Design with f/2.8, 150mm WD, and 12mm FL
High Resolution Lens Design with f/2.8, 150mm WD, and 16mm FL
图 3: 两款不同的高分辨率镜头设计(在相同f/#和系统参数下具有不同焦距)

示例3:比较相同35mm镜头设计在不同f/#时的MTF

图4具有35mm镜头设计的MTF(在f/4 (a)和f/2 (b)时使用白光)。黄线在两幅图中显示具有衍射极限的对比度在图4a的奈奎斯特极限下的状态,蓝线表示图4a中f/4的相同镜头在奈奎斯特极限下的最低实际性能。尽管图4b的理论极限高出许多,但其性能要低得多。这举例说明了较高的f/#可以如何降低像差影响,从而大大提高镜头性能,即使理论性能极限已大幅降低。除了分辨率以外,需要权衡的主要因素还包括:较高的f/#的光通量较少。

MTF Curves for a 35mm Lens with f/4
MTF Curves for a 35mm Lens with f/2
图 4: 35mm镜头在相同工作距离和不同f/#s:f/4 (a(顶部的)) 和f/2 (b(底部的))时的MTF曲线

示例4:更改工作距离对MTF的影响

图5探讨了相同的35mm焦距、f/2孔径镜头设计在工作距离为200mm(a)和450mm(b)时的情况。我们可以看到较大的性能差异,这直接与平衡镜头设计在各种工作距离下的像差内容的能力相关。即使重新调整焦距,更改工作距离也会导致性能随镜头移离其设计范围而变化或降低。这些影响在f/#较低时最为显著“通过设计平衡像差”部分以及镜头设计中的MTF像差平衡和第像差如何影响机器视觉镜头中关于像差的部分分别提供了有关这些影响的更多详情。

MTF Curves for a 35mm Lens with f/2 and 200mm WD
MTF Curves for a 35mm Lens with f/2 and 450mm WD
图 5: 35mm焦距,f/2光圈镜头在不同工作距离的MTF曲线a(顶部的)和b(底部的)。

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