發(fā)布者：菲涅爾 發(fā)布時(shí)間：1970-01-01
1、鏡頭的衡量標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)光學(xué)設(shè)計(jì)人員試圖比較光學(xué)系統(tǒng)的性能時(shí)，常用的衡量標(biāo)準(zhǔn)是調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）Modulation Transfer Function（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MTF）。MTF用于從簡(jiǎn)單的球面單透鏡到復(fù)雜的多元件遠(yuǎn)心鏡頭組件、遠(yuǎn)心光學(xué)模組。為了理解MTF的重要性，需要考慮MTF的一些一般原則和實(shí)際示例，包括其重要性、組成部分以及特征。
2、MTF的組成部分
其最重要的組成部分為：分辨率和對(duì)比度，為了能夠更直觀的體現(xiàn)這兩者的關(guān)系，會(huì)從后面的示例中一一解釋。
3、分辨率（Resolution）
分辨率是成像系統(tǒng)區(qū)分物體細(xì)節(jié)的能力。
它通常用每毫米線對(duì)表示 ( lp /mm)（其中線對(duì)是一條黑線和一條白線的序列）。這種每毫米的線對(duì)度量也稱(chēng)之為頻率。頻率的倒數(shù)產(chǎn)生兩條解析線之間以毫米為單位的間距。對(duì)于所有成像元件，對(duì)于分辨率板成像時(shí)，完美的線條邊緣會(huì)在一定程度上變得模糊。高分辨率圖像是由于模糊最小而表現(xiàn)出大量細(xì)節(jié)圖像。相反，低分辨率圖像缺乏細(xì)節(jié)。（如下圖1）
理解線對(duì)的一種最實(shí)用的方法是：將這些線對(duì)視為相機(jī)傳感器上的像素點(diǎn)，其中單個(gè)線對(duì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)像素（1pitch and 2 pixels）。我們可以通過(guò)同一個(gè)相機(jī)來(lái)解釋這個(gè)現(xiàn)象，就是用同一個(gè)相機(jī)拍攝兩組不同的分辨率板。如圖2：
物體分辨率是使用相機(jī)分辨率和成像鏡頭的主放大倍率（PMAG）計(jì)算的。當(dāng)然這里需要假定一個(gè)條件，就是成像鏡頭不會(huì)造成分辨率的損失。
4、對(duì)比度/調(diào)制
考慮通過(guò)將最大值分配給白條并將零值分配給黑條來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化條目標(biāo)的強(qiáng)度。 繪制這些值會(huì)產(chǎn)生方波，從中可以更容易地看出對(duì)比度的概念（圖 3）。 在數(shù)學(xué)上，對(duì)比度使用公式 3 計(jì)算：
當(dāng)同樣的原理應(yīng)用于圖 1 中的成像示例時(shí)，可以看到成像前后的強(qiáng)度模式（圖 4）。 然后可以將對(duì)比度或調(diào)制定義為最小和最大強(qiáng)度值從物平面?zhèn)鬏數(shù)綀D像平面的程度。
要了解對(duì)比度和圖像質(zhì)量之間的關(guān)系，請(qǐng)考慮使用與圖 1 和圖 4 中的鏡頭具有相同分辨率的成像鏡頭，但用于以更高的線對(duì)頻率對(duì)物體進(jìn)行成像。 圖 5 說(shuō)明隨著線條的空間頻率增加，圖像的對(duì)比度降低。 當(dāng)使用相同分辨率的成像鏡頭時(shí)，這種效果始終存在。 為了使圖像看起來(lái)定義，黑色必須是真正的黑色和真正的白色，中間有最少的灰度。
在成像應(yīng)用中，成像鏡頭、相機(jī)傳感器和照明在確定最終圖像對(duì)比度方面起著至關(guān)作用。 鏡頭對(duì)比度通常根據(jù)再現(xiàn)的物體對(duì)比度的百分比來(lái)定義。 傳感器再現(xiàn)對(duì)比度的能力通常用模擬相機(jī)中的分貝 (dB) 和數(shù)碼相機(jī)中的比特(Bits)來(lái)指定。
5、實(shí)際理解調(diào)制傳遞函數(shù)MTF
顧名思義，鏡頭的 MTF 是衡量其在特定分辨率下將對(duì)比度從物體轉(zhuǎn)移到圖像的能力。 換句話說(shuō)，MTF 是一種將分辨率和對(duì)比度合并到單個(gè)規(guī)范或者規(guī)則中的方法。 隨著測(cè)試目標(biāo)上的線間距減?。搭l率增加），鏡頭越來(lái)越難以有效地傳遞對(duì)比度的降低； 結(jié)果，MTF 下降（圖 6）。
對(duì)于具有圓形瞳孔的無(wú)像差圖像，MTF 由公式 4 給出，其中 MTF 是空間分辨率 (ξ) 的函數(shù)，它指的是系統(tǒng)可以分辨的最小線對(duì)。 截止頻率 (ξc ) 由公式 6 給出。
圖 6 繪制了具有矩形瞳孔的無(wú)像差圖像的 MTF。 正如預(yù)期的那樣，MTF 會(huì)隨著空間分辨率的增加而降低。 需要注意的是，這些情況是理想化的，沒(méi)有任何實(shí)際系統(tǒng)是完全沒(méi)有像差的。
6、MTF的重要性
在傳統(tǒng)的系統(tǒng)集成（以及不太重要的應(yīng)用程序）中，系統(tǒng)的性能是使用最薄弱環(huán)節(jié)的原則粗略估計(jì)的。最弱鏈接原則提出系統(tǒng)的分辨率僅受具有最低分辨率的組件的限制。雖然這種方法對(duì)于快速估計(jì)非常有用，但它實(shí)際上是有缺陷的，因?yàn)橄到y(tǒng)中的每個(gè)組件都會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生誤差，比單獨(dú)最薄弱的環(huán)節(jié)產(chǎn)生更差的圖像質(zhì)量。
系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)組件都有一個(gè)相關(guān)的調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)，因此，對(duì)系統(tǒng)的整體 MTF 有貢獻(xiàn)。例如，這包括成像鏡頭、相機(jī)傳感器、圖像捕獲板和傳輸電纜。系統(tǒng)的最終 MTF 是其組件的所有 MTF 曲線的乘積（圖 7）。例如，F(xiàn)TC1.5X-114C-50M 遠(yuǎn)心鏡頭和 FTC5.0X-78CT-50M 遠(yuǎn)心鏡頭可以通過(guò)使用同規(guī)格相機(jī)評(píng)估兩個(gè)鏡頭的最終系統(tǒng)性能。通過(guò)分析系統(tǒng) MTF 曲線，可以直接確定哪種組合將產(chǎn)生足夠的性能。例如，在一些計(jì)量應(yīng)用中，精確的圖像邊緣檢測(cè)需要一定量的對(duì)比度。如果最低對(duì)比度需要30%，圖像分辨率需要100lp/mm，那么FTC1.5X-114C-50M 遠(yuǎn)心鏡頭是最佳選擇。
MTF 是在分辨率和對(duì)比度方面量化系統(tǒng)整體成像性能的最佳工具之一。因此，了解系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)成像鏡頭和相機(jī)傳感器的 MTF 曲線使設(shè)計(jì)人員能夠在針對(duì)特定分辨率進(jìn)行優(yōu)化時(shí)做出適當(dāng)?shù)倪x擇。
調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF) 是衡量圖像質(zhì)量的最重要參數(shù)之一。 光學(xué)設(shè)計(jì)師和工程師經(jīng)常參考 MTF 數(shù)據(jù)，尤其是在成功或失敗取決于特定對(duì)象成像的準(zhǔn)確程度的應(yīng)用中。 要真正掌握MTF，首先要了解分辨率和對(duì)比度的概念，以及物體的圖像如何從物體轉(zhuǎn)移到圖像平面。 雖然最初令人生畏，但理解并最終解釋 MTF 數(shù)據(jù)對(duì)于任何光學(xué)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)都是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具。 憑借知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，MTF 可以使選擇合適的鏡頭變得更加容易。
調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF) 是衡量圖像質(zhì)量的最重要參數(shù)之一。 光學(xué)設(shè)計(jì)師和工程師經(jīng)常參考 MTF 數(shù)據(jù)，尤其是在成功或失敗取決于特定對(duì)象成像的準(zhǔn)確程度的應(yīng)用中。 要真正掌握MTF，首先要了解分辨率和對(duì)比度的概念，以及物體的圖像如何從物體轉(zhuǎn)移到圖像平面。 雖然最初令人生畏，但理解并最終解釋 MTF 數(shù)據(jù)對(duì)于任何光學(xué)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)都是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具。 憑借知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，MTF 可以使選擇合適的鏡頭變得更加容易。
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