人妻少妇精品视频专区_极品白嫩的小少妇_少妇高潮尖叫黑人激情在线_国产国拍亚洲精品Mv在线观看

?
光學設計者如何判斷光學鏡頭的性能?
來源(yuan): 閱讀(du):1052 發布時間:2022-06-02 10:59:09
光學設計者如何判斷光學鏡頭的性能?

雖然像差曲線圖(tu)可以很好地給光學(xue)設計者提供一個鏡頭(tou)的性能(neng),但是通常(chang),特別是對鏡頭(tou)的使用者或評定(ding)者,非常(chang)需要(yao)一個客觀(guan)的標準(zhun)。

調制傳遞函數(shu)(MTF)就(jiu)是(shi)這樣(yang)一(yi)個廣(guang)泛使用(yong)的標準,其用(yong)于(yu)非相干光成像的評(ping)價,其關注的是(shi)像的對比度或銳度。

實際(ji)上,現代(dai)許多鏡(jing)頭(tou)直(zhi)接以 MTF 性能來衡量好(hao)壞(huai)。

如圖1所示,考慮一個光學系統對強度正弦(xian)分(fen)布(bu)的(de)光柵成像(xiang)(xiang)。對于非相(xiang)干光成像(xiang)(xiang),可(ke)以(yi)看出(chu),像(xiang)(xiang)的(de)強度也是正弦(xian)分(fen)布(bu),但是對比度下降。

圖1 一個光學系統的(de)物像對比(bi)

MTF 是(shi)像的對比(bi)(bi)度除以(yi)物的對比(bi)(bi)度;很顯然(ran),它是(shi)空間(jian)頻(pin)率(lv)的函數,在(zai)光學設計(ji)中經常使用 MTF 關于空間(jian)頻(pin)率(lv)(通常單(dan)位是(shi)“線對/mm”)的函數圖。

光學傳遞函數的(de)定義(yi)為:

嚴格來說,我(wo)們(men)應該區(qu)分光學(xue)傳遞(di)函數(OTF)和調制傳遞(di)函數(MTF)。

OTF 是一個(ge)矢量(liang),其(qi)(qi)包(bao)括像的(de)相位和振(zhen)幅,其(qi)(qi)中振(zhen)幅就是 MTF。

實(shi)際(ji)上,光學設(she)計主要考(kao)慮的(de)就是(shi) MTF。而相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)項,有(you)時候也(ye)稱(cheng)為相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)傳遞函(han)(han)數(PTF),表(biao)示實(shi)際(ji)正弦(xian)像相(xiang)(xiang)對理(li)想正弦(xian)像的(de)偏移,這(zhe)個偏移用相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)角隨空(kong)間(jian)頻(pin)率的(de)變化函(han)(han)數表(biao)示。若相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)超過(guo) 180°,那么 MTF 就可能(neng)是(shi)負的(de)。這(zhe)表(biao)示相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)逆轉,這(zhe)種(zhong)逆轉會(hui)導致像的(de)對比(bi)度也(ye)逆轉。現實(shi)中,許多(duo)鏡頭的(de)高頻(pin)可能(neng)會(hui)出現這(zhe)種(zhong)情(qing)況。

1

理論

對于非相干光照明的系統,其 MTF 可以用線擴散函數的 Fourier transform 求得。通常,MTF是用這種方法求得。
但是可以用自相關積分來快速求解衍射 OTF:
其中, D(s)=OTF,A=光瞳區域,S是兩個光瞳重疊區域,W波前像差,s是簡化的空間頻率,等于fλ/NA,NA是數值孔徑。

2

幾何近似

在幾何光學近似中,我們假設λ接近于零,因此 MTF(子午方向)為:
這是對整個光瞳進行積分,實踐上,可以用簡單的求和來近似求解。

3

實際求解

因為我們不僅需要知道弧矢方向的,而且還需要知道子午方向的MTF,所以求解弧矢方向的 MTF 用下式:
而求解子午方向的 MTF 用下式:
追跡大量的(通常超過 100 條)光線是很方便的,但是求和計算的時候,只考慮實際通過系統的光線。我們還要對多種波長的光線進行追跡,求和時波長的權重可以不同。
很容易給幾何 MTF 添加一個校正因子,只要把幾何 MTF 乘以理想系統的衍射 MTF 就行。這樣的結果使得幾何 MTF,不僅在大像差系統是精確的,而且在小像差系統也是精確的。但是,對于中等像差,幾何MTF 通常會給出令人失望的結果。
現在,我們要決定追跡多少環的光線。按圖2的方式取光線,可以看出半圓中每個小區域的面積都相等。很容易看出,若有n環的光線, 則總光線數是2n 。當光學系統是對稱的(關于子午y面對稱),為了節約時間,程序不需要計算x負方向的光線。
圖2 計算幾何MTF的取線方式

4

衍射極限

有限光瞳口徑的鏡頭對正弦物成像時,其衍射 MTF 的極限頻率為:
例如對于一個f/2的鏡頭,其數值孔徑NA為0.25,當波長λ是0.0005 mm時,截止頻率為:
這個頻率對應空間周期為 0.001 mm(1 μm)的光柵,但是注意,這個頻率對應的 MTF值是零。對于 500 / cycles mm ,理想鏡頭的 MTF 約為 40% ,所以使用f/2,這是一個更為實際的頻率。

5

ZEMAX里的MTF

用于 ZEMAX 里的 MTF,既作為一個評價工具,又作為一個優化手段。
上圖中,總共有四條曲線,兩條是子午MTF曲線,另兩條是弧矢MTF曲線,其中0°視場的子午MTF曲線弧矢MTF曲線是重合的;而2°視場的子午MTF曲線弧矢MTF曲線差別比較大,這是因為,對于離軸情況下PSF變成了非對稱的,導致了PSF沿著子午和弧矢方向的寬度和輪廓有所差別。所以與近軸(或幾何)像卷積后,將導致兩個方向上有一個差量。這同時意味著,在兩個方向上,分辨率也是不同的。

 

(來源:網站,版權歸原作者(zhe))