数码镜头设计原理基础篇镜头评价之欧阳计创编.docx

1、数码镜头设计原理基础篇镜头评价之欧阳计创编章节内容时间：2021.02.11创作：欧阳计数码镜头设计原理_基础篇 第十章 镜头评价*对数码镜头的评价不同的用处有不同的标准，但在绝大多数清况下，有些技术指标确需要共同准守的，下面介召的就是这些需共同遵守的技术指标。第一节镜头鉴别率在第二章曾介召过了数码镜头鉴别率的有关问题，在本节将继续介召更深层次的问题。1 镜头设计传函MTF域值的规定 镜头传函MTF域值指与其相配的接受器恰好能分辩出分辩率线对的MTF值。CCD，CMOS的MTF域值为0.15。考虑镜头加工完后设计传函的MTF会下降0.10.15，应此镜头的设计传函MTF域值应定为0.32 镜头

2、设计达到的鉴别率频数值镜头0.7视场的设计鉴别率定为整个镜头的鉴别率，这样作的原因是为了保正镜头主要工作区的象质。对于0.7视场以外区的鉴别率，可参考下表：下面是36mm镜头系列鉴别率等级表镜头类别镜头级别视 场中心边缘广角镜头 f 38J04025JI3626JII3236JIII2812标准镜头 f =3861J04120JI3618JII3214JIII2811远摄镜头 61 f 135J03225JI2822JII2516JIII2212 数码镜头0.7视场以外区鉴别率对工作区鉴别率的比例可略小于上比例。而0.7视场的设计鉴别率是由MTF=0.3时的频数确定的（见下图）。3 如何通过鉴

3、别率来判断镜头的成象质量 我们知道CCD可分辩图案的频数低于镜头鉴别率，但上面我们只对镜头最高频数即鉴别率进行了定义，低于此频率的图案的质量又该如何评价呢？最简单直观的办法是看各典型光线的MTF曲线都接近向下倾的斜直线。这样才能保正各典型光线在整个MTF频数中，成象质量都比较好。 这样作的原因是因为MTF低频区决定了图象轮括的清晰度，中频区决定了图象的层次感，高频区决定了图象细节的分辩率。下面看几个镜头的NTF曲线： 这是一个大视场（2W=80）超大口径（F=1.23）短焦（f=4）可变光栏的镜头MTF图：其0.7视场区以内的传函曲线近于斜直线，因此其成象是比较好的。 最小象元边长=1/（2*

4、80）=0.00625，在CCD成象区长边供分布（6*4/5）/0.00625=768个最小象元，在CCD成象区短边供分布（6*3/5）/0.00625=575个最小象元，那么该镜头可配768*575=441600象素的CCD（四十万象素）。即可配用四十万象素CMOS，用于一般的监视场合。下面是个F=2.6,，2W=60，f=6的三单镜MTF图： MTF直线性较好，但中心视场传函低了些。 这也是个三镜系统，MTF图如下：由上图可见：尽管镜头接近40万象素的水平，可由0.7视场考查线（假想存在），整个区段的MTF曲线都在其下面较多，尤其是低频下降更快，因此图象的轮廓分辩不清，且层次感也不会太好。

5、4 变焦镜头鉴别率鉴定_显微系统 对变焦显微系统，不同倍率下对鉴别率的要求是不一样的。另外接收器不同，对鉴别率也不一样。下面我们看看前面得到的连续变倍显微系统的初解的鉴别率的要求。（1）目镜作为接收器 显微系统象差设计时，由于象方光路比物方长很多，为了提高求解精度，往往是反光路进行象差评衡。人眼监别率在显微系统由于亮度问题令为3，那么在250mm明视距离上弥散直径=2500.00033=0.225mm，除视放大率即为物方可分辩的弥散斑直径。我们令它为鉴别率线宽时，上述计算仍成立。再用下式即可求出物方应达到的鉴别率值：上式：- 鉴别率d - 分辩率线宽 - 显微系统视放大率下面我们分别计算低中高

6、倍时应达在低倍时物方应达到鉴别率15 lp/mm中倍时由前面“第五章显微系统”计算出中倍倍率=5/2.25=2，那么物方应达到鉴别率计算如下：物方应达到鉴别率44 lp/mm高倍时由前面“第五章显微系统”计算出中倍倍率=5，那么物方应达到鉴别率计算如下：物方应达到鉴别率111 lp/mm连续变倍显微系统象质鉴定下面我们用上标准来鉴别物镜鉴别率的水平：低倍0.7视场反光路物高应是8 x 0.7=5.6，此时由“反光路整体结构(低倍调整到位).ZMX”有鉴别率为：7. lp/mm 15lp/mm中倍0.7视场反光路物高应是8 x 0.7=5.6，此时由“反光路整体结构(中倍调整到位).ZMX”有物

7、方鉴别率为：37 lp/mm 44 lp/mm。高倍0.7视场反光路物高应是8 x 0.7=5.6，此时由“反光路整体结构(高倍调整到位).ZMX”有物方鉴别率为：76 lp/mm 111 lp/mm。说明连续变倍显微系统（用目镜时）的初解需达到的鉴别率时还需进一步校象差。（2）CCD作为接收器设人眼在屏幕的分辩率为3，这时如果人眼直接在屏幕观查（不作放大处理），那么可分辩的屏幕上的扫描线宽为：2500.00033=0.225mm，而一个线对鉴别率图案宽度为0.45mm,用14英寸屏幕观查，则屏幕水平宽=24.5*14*4/5=274mm，屏幕垂直宽=24.5*14*3/5=206mm那么在水

8、平需分布274/0.45=611条分辩率线，垂直需分布206/0.45=457条分辩率线。可选640 x 480的计算机屏显模式。这样就要求CCD的象素总数达到640 x 480 =307200，即30万象素。这就是电脑眼用的CMOS绝大多数是30万象素的原因。下面我们计算CCD作为接受器时，显微镜应达到的鉴别率。选1/3英寸CCD，那么：30万象素鉴别率线宽d可由下面计出：上式：Z -象素总数，L - CCD感光面对角线长毫米数，d - 鉴别率线宽将：Z=300000，L=6代入上式有：d=0.00759 mm转到物方有：式中：- 显微物镜垂轴放大率下面就用象方鉴别率线宽计算显微物镜应达到的

9、在低倍时 当：L=6 ，Z=300000 =0.7时，d=0.01084那么物方鉴别率应达到在中倍时当：L=6 ，Z=300000 =2时，d=0. 00379那么物方鉴别率应达到在高倍时当：L=6 ，Z=300000 =5时，d=0. 001517那么物方鉴别率应达到连续变倍显微系统象质鉴定这时的象方视场由CCD对角线确定此时： 低倍0.7视场反光路物高应是3 x 0.7=2.1，此时由“反光路整体结构(低倍调整到位).ZMX”有鉴别率为：30 lp/mm 46 lp/mm中倍0.7视场反光路物高应是3 x 0.7=2.16，此时由“反光路整体结构(中倍调整到位).ZMX”有物方鉴别率为：1

10、05 lp/mm 130 lp/mm。高倍0.7视场反光路物高应是3 x 0.7=2.1，此时由“反光路整体结构(高倍调整到位).ZMX”有物方鉴别率为：230 lp/mm 329 lp/mm。说明连续变倍显微系统（用显示器时）的初解需达到的鉴别率时还需进一步校象差。5 变焦镜头鉴别率鉴定_望远与照象系统（1）望远系统变焦时鉴别率的鉴定 望远系统根据需要往往给出的是物方应达到的鉴别焦值，应如何计算呢？人眼监别率在望远系统目方可达到1，那么除视放大率就得出物方应达到的鉴别角值：上式：- 物方鉴别率- 象方鉴别率 - 望远系统视放大率这个式子好理解，就不举例了。（2）照象系统变焦时鉴别率的鉴定照象

11、系统鉴别率一般是根据需要提出镜头在CCD上的象素数的要求，例如要达到200万的象素水平。那么应先计算出鉴别率线宽：式中：L=6（选1/3英寸CCD对角线宽是6mm），Z=2097152（200万=2*10242）解出：d=0.0029mm。 下面再用下式转为镜头鉴别率的要求：将d=0.0029mm代入，计算出镜头应达到的鉴别率为：172 lp/mm，这个要求经过努力是可以做到的。同时也说明：1/3英寸CCD镜头，要达到200万象素水平，鉴别率最少要高于170 lp/mm。如果要求的是镜头鉴别率，那么剩下的问题就是计算相配CCD的相素总数。具体计所在“第二章 鉴别率”有介召，在此就不多说了。 第

12、二节象面均匀性标准 象面最大视场最大口径点对视场中心光能比要大于50%(见“第九章 第五节 调整各光线渐晕的原则”)第三节畸变标准有些情况下的镜头允许有一定畸变，例如：测量镜头和制板镜头要求小于 1 % ，一般的照象镜头和望远镜头要求小于 5 % ，电脑镜头和一般的监视镜头要求小于 10 % ，车用后视镜和大厅监视镜头要求小于 15 % 。第四节 工艺性问题一般情况下：类同心透镜边与中心厚近似相等，模边工序定心精度低。透镜口径小于2.5mm，半径小于2mm不易加工。折射率太大的（1.8）材料，成本高，且光洁度差。透镜间隔小于0.05mm，对垫圈精度要求较高，会增加成本。 时间：2021.02.11创作：欧阳计