鏡頭性能曲線

了解和計(jì)算鏡頭性能可能是一項(xiàng)困難的任務(wù)。許多變化因素會影響鏡頭的性能，包括物理定律、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和原理以及制造公差和誤差。為了獲得佳系統(tǒng)性能，光學(xué)設(shè)計(jì)人員和終用戶可以訪問多個可用于衡量鏡頭性能的指標(biāo)。這些曲線通常提供用以幫助適當(dāng)?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(biāo)，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(yīng)用需求確定的特定基本參數(shù)組合下，光學(xué)像差如何影響性能。更改視覺系統(tǒng)上的幾乎任何設(shè)置（包括基本參數(shù)）都會改變曲線的性能特點(diǎn)，了解這一點(diǎn)十分重要。調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)與MTF曲線詳細(xì)介紹了MTF的計(jì)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(xué)傳遞函數(shù)（對比度）和頻率（分辨率）模塊。分辨率涵蓋關(guān)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(yīng)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(lán)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(diǎn)以便分析。

曲線內(nèi)另一項(xiàng)值得注意的特性是實(shí)線和虛線（在曲線上以字母T和S表示）之間的差異，實(shí)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(dǎo)致這些視場各有不同，因此沒有單獨(dú)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(dǎo)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(yīng)用。

景深 (DOF)

景深(DOF)圖顯示了當(dāng)特定大小的細(xì)節(jié)（分辨率，作為頻率給定）靠近或遠(yuǎn)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(cè)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(jī)器視覺系統(tǒng)保持準(zhǔn)確結(jié)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(guān)于相對照明的內(nèi)容中詳細(xì)介紹了會導(dǎo)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(diǎn)）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?yàn)檩^高的f/#s會導(dǎo)致總體亮度降低。在f/# (鏡頭光圈/孔徑設(shè))了解更多關(guān)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(diǎn)（通常為視場中心，設(shè)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(shí)際圖像(f/1.4)中的投射。有關(guān)相對照明的詳細(xì)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(lán)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(dǎo)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(shè)計(jì)人員和工程師用來描繪失真特征的典型繪圖。請?jiān)谑д嬷辛私庥嘘P(guān)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。