数码镜头设计原理基础篇镜头评价之欧阳总创编.docx
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数码镜头设计原理基础篇镜头评价之欧阳总创编
章节内容
时间:
2021.02.13
创作:
欧阳总
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:
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’<38
J0
40
25
JI
36
26
JII
32
36
JIII
28
12
标准镜头f’=38→61
J0
41
20
JI
36
18
JII
32
14
JIII
28
11
远摄镜头61 J0 36 25 JI 32 22 JII 28 16 JIII 25 12 超远摄镜头f’>135 J0 32 25 JI 28 22 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15lp/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44lp/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111lp/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8x0.7=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8x0.7=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: 37lp/mm<44lp/mm。 高倍0.7视场反光路物高应是8x0.7=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: 76lp/mm<111lp/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640x480的计算机屏显模式。 这样就要求CCD的象素总数达到640x480=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=0.00759mm 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=300000β=0.7时 ,d=0.01084 那么物方鉴别率应达到 ◆在中倍时 当: L=6,Z=300000β=2时 ,d=0.00379 那么物方鉴别率应达到 ◆在高倍时 当: L=6,Z=300000β=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3x0.7=2.1,此时由“反光路整体结构(低倍调整到位).ZMX”有鉴别率为: 30lp/mm<46lp/mm 中倍0.7视场反光路物高应是3x0.7=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: 105lp/mm<130lp/mm。 高倍0.7视场反光路物高应是3x0.7=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: 230lp/mm<329lp/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: 172lp/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170lp/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。 时间: 2021.02.13 创作: 欧阳总
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