光学镜头MTF

dxf17 · 发表于 2023-3-31 07:42:26

光学传递函数(OTF)的方法已被全世界普通地用于光学自动控制的设计过程、光学设计结果的评论和光学镜头质量的检测等方面。在评价摄影镜头成像质量的优劣方面，光学传递函数的评价方法是最全面、最客观、最科学、最严格、最完善的方法。同时也只有通过光学传递函数，才以把摄影镜头的分辨率和反差两大光学指标有机地联系起来，并最终反映出二者对所成影像的综合作用与影响。
分辨率(Resolution)是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力。显然分辨率越高的镜头，所拍摄的影像越清晰细腻。它的单位是“线对/毫米”。
反差(Acutance)又称鲜锐度、明锐度，是摄影镜头鲜明地再现摄景物中间层次、暗部层次、低反差影纹细节、微弱亮度对比和微妙色彩变化的能力。反差高的镜头，所成影像轮廓鲜明、边缘锐利、反差正常、层次丰富、纹理细腻、影调明朗、质感强烈、色彩过渡柔合、彩色还原真实、自然。显然以上这些特性是优质摄影镜头不可缺少的素质，然而摄影镜头的反差，很难简单地用数据表示，也很难用普通的仪器测试出来。
调制传递函数的英文缩写为MTF(Modulation Transfer Function)，也叫模量传递函数，即光学传递函数的模。摄影镜头把自然界的光信息传递到胶片上(或磁带、磁盘上)。光波包括波光(光的颜色)、频率(光波振动的快慢)、位相 (光波的空间位置与时间的关系)和振幅(振动幅度的强弱)。所谓“模量”即光波振幅大小的量值。模量传递函数描述的正是光信息在通过光学媒质(如空气)和光学器件(如镜头)的传递过程中，它的强弱随空间位置变化规律而改变。对二维图像来说，因无位相因子，因此用MTF来评价图像质量。
MTF测试使用的是黑白逐渐过渡的线条标板,通过镜头进行投影。被测量的结果是反差的还原情况。如果所得影像的反差和测试标板完全一样,其MTF值为100%。这是理想中的最佳镜头，不过实际上是不存在的；如果反差为一半,则MTF值为50%。数值0值代表反差完全丧失,黑白线条被还原为单一的灰色。

光学镜头MTF-1.jpg

一只摄影镜头的空间频率表现，最由它的分辨率决定的；而它的调制传递函数值(即MTF值)高低，则是由它的反差决定的。所以这种MTF曲线，非常集中地反映了摄影镜头最重要的两在基本参数。

光学镜头MTF-2.jpg

MTF曲线可以理解为某一空间频率下的画面反差，在上图中，黑实线即为一只实际镜头的MTF曲线。曲线与横坐标的交点为53，说明这只镜的理论分辨率最高值为53 lp/mm，然后此时反差已为零，所以53 lp/mm并无实际意义。由于人眼能够分辨的最低调制度为0.05，所以这只镜头的实际分辨率为MTF值等于0.05时所对应的空间频率值，从图中可能看出，此镜头的最高分辨率为46lp/mm。
那么镜头的MTF怎么和摄像机上的传感器分辨率对应起来。一个镜头有它的最高分辨率N lp/mm，那么根据纳奎斯特采样定理，至少需要配以2N/mm个空间采样点。这个可以这样来理解，1mm内有N条黑白线对，那么就有N 条白线和N条黑线总共2N条线。以摄像机的一个感光元对应以一条白线或黑线，那么摄像机在1mm内需要有2N个感光元来对应N条白线和N条黑线，摄像机的感光元密度就是 2N/mm。

光学镜头MTF-3.jpg

这时摄像机感光元件的分辨率和镜头的分辨率正好匹配，谁都没有浪费。一般镜头厂家在规格书中都不会明确标明传函，而是换以更直观的1MP、2MP或3MP这样的标识，因为lp/mm这个指标过于专业，一般用户可能无法理解，不如直接标像素来的直观。那么，lp/mm与镜头标定的像素与之间是如何对应的呢？从镜头厂家那边了解到，他们一般是以1/2.8&#34;的传感器作为标的来进行换算的，比如：IMX222。IMX222的像素点尺寸为2.8um，最大有效像素为1920x1200，这样我们就可以算出它的靶面尺寸大概为
   1920 x 2.8um = 5.376mm，1200 x 2.8um = 3.36mm
　　我们以IMX222作为标的，可以大致算出镜头像素与lp/mm的对应关系如下：
　　对于标称是1MP的镜头，它对应的分辨率应该为1280x720=921600，这样就可以大致算出它所对应的lp/mm值为：
   720 / (2 x 3.36mm) = 107 lp/mm
　　标称为1.3MP的镜头，它对应的分辨率应该为1280x960=1228800，它所对应的lp/mm值为：
   960 / (2 x 3.36mm) = 143 lp/mm
在进行光学设计时，在ZEMAX设计软件上有三种MTF计算方法：
FFT MTF：利用FFT（快速傅里叶变换算法），对全部视场位置计算衍射MTF数据。其基于瞳面数据，最终得到不同空间频率的正弦波物体的调制度函数，当然也可以通过MTF窗口中的Setting选项进行选择显示傅里叶变换结果的实部、虚部、相位或方波类型。方波MTF指的是某空间频率的方波目标的调制度响应。

光学镜头MTF-4.jpg

Huygens MTF：使用惠更斯直接积分算法计算衍射MTF数据，是惠更斯PSF的快速傅立叶变换。
Geometric MTF：计算几何MTF，基于像差数据，是对衍射MTF的近似。如果系统性能远离衍射极限，该工具很常用。其对于大像差系统，在低空间频率处精度很高。

我心如烟卸 · 发表于 2023-3-31 07:43:01

写的很棒

一箫凝月黄 · 发表于 2023-3-31 07:43:36

讲的很棒，但是有好多错别字

务川冷泉水鱼庄 · 发表于 2023-3-31 07:43:44

720 / (2 x 3.36mm)是什么意思

光学镜头MTF

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