数码镜头设计原理_基础篇(镜头评价)

章节内容
数码镜头设计原理_基础篇
第十章镜头评价
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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：
f ’>135 JII 25 16
JIII 22 12
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：105 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：
α----- 物方鉴别率
α’----- 象方鉴别率
Γ---- 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*1024^2）
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。