2021年数码镜头设计原理_基础篇(镜头评价)

章节内容

欧阳光明（2021.03.07）

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0.1～0.15，应此镜头的设计传函MTF域值应定为0.3

2 镜头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

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*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。

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=250·0.0003·3=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

Γ ---- 显微系统视放大率

下面我们分别计算低中高倍时应达

◆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：250·0.0003·3=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：β--- 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

◆在低倍时

当：L=6 ，Z=300000 β=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 β=2时，d=0. 00379

那么物方鉴别率应达到

◆在高倍时

当：L=6 ，Z=300000 β=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