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光具有波粒二象性#xff0c;由此衍生出了几何光学与衍射光学。在光学设计软件中#xff0c;最常用的判断标准是查看点列图的RMS半径以及MTF图的曲线#xff0c;这两者分别代表了两种传播性质的评价方式。
在刚接触光学设计时#xff0…写给自己看的学习记录
光具有波粒二象性由此衍生出了几何光学与衍射光学。在光学设计软件中最常用的判断标准是查看点列图的RMS半径以及MTF图的曲线这两者分别代表了两种传播性质的评价方式。
在刚接触光学设计时我误认为评价标准是将RMS半径优化到小于像元尺寸的一半即可。认为点列图好了MTF肯定也好了其实这是不对的忽视了艾里斑是最小光斑的衍射理论。
后来才了解到当点列图小于艾里斑时RMS半径便不再可靠。用zemax软件优化过程中主要就是衍射与几何相互对抗的过程当RMS半径值远大于艾里斑半径时主要看点列图当点列图满足要求时尽量把MTF曲线往衍射极限上优化。
艾里斑半径R1.22λF由于λ是设计要求那么F的选取就很重要艾里斑过大或者过小都会带来问题一般来说让艾里斑半径等于所选探测器的像元尺寸。
具体原因在
薇洛的打火机/衍射极限、MTF与相机分辨率(1)这篇博客里有很详细的介绍。
大致如下
在空间域中成像系统的光斑是理想图像与点扩散函数h(t)卷积的结果而调制传递函数MTF就是系统点扩散函数h(t)经过Fourier变换的结果。
MTF是一个频域的概念代表不同频率成分对比度的衰减在光学评价方法中它的单位是lp/mm即每毫米/线对代表每mm范围内有几个明暗相间的正弦条纹。测试一个光学系统的MTF就是测试对不同疏密(lp/mm为单位)的条纹的对比度衰减。lp/mm通常是指像平面上的线对数。
根据Shannon采样定理对于频率为f 的信号我们至少要用2f的频率来采样才能把它恢复出来。从前面的叙述我们知道空间频率一般是用探测器上每毫米线对数来表示的我们至少需要两个像素来采样它即两个像素尺寸对应一个线对宽度。这也就是光学设计中奎奈斯特截止频率计算公式的由来即
截止频率1/2*像元尺寸
那么回到最初的问题艾里斑多大才与我们的像元尺寸相匹配这决定了我们光学设计中F数的选择。
根据瑞利判据当两个相邻的艾里斑距离为其半径时这两个艾里斑勉强能够分辨出来。
即一个线对宽度等于艾里斑的半径在这个频率往上系统是衍射受限的。哪怕没有任何像差MTF都很差细节几乎不可分辨。
即艾里斑直径最大不能超过两个像元尺寸否则该系统将无意义。 但是在设计中没必要做的这么极限另外还要考虑公差对像质的影响。
所以一般取线对宽度等于艾里斑的直径即一个像元尺寸等于艾里斑的半径此时截止频率处衍射极限的MTF值约为0.5是可以接受的。 当然艾里斑可以更小这样截止频率处的MTF值会更高但是F数太大在光学设计中是件很头疼的事各种像差带来的影响也很难使MTF接近衍射极限。
毕竟光学设计本身就是一件不断取舍的工作。
所以我们在设计中常取F数使得艾里斑半径等于像元尺寸大小即可。
注1在红外设计中将点列图优化到艾里斑内并将MTF曲线优化到接近衍射极限即可不必太关注RMS半径值。
注2在需求中F数是有要求的比如红外常要做到F1.0反过来即可即挑选合适的探测器。如果探测器也选定且像元尺寸很小那只能BIN了牺牲分辨率。
注3原文链接https://blog.csdn.net/glorydream2015/article/details/44966369
原文作者的一个例子懒得打字直接引用
对于一个F数为2.8的镜头假设我们用555nm的黄绿光来成像像素大小做到多少合适呢我们取线对宽度等于艾里斑的直径大小作为依据此时只考虑衍射的话MTF约有0.5也还算可以了。一个线对对应两个像素那么一个像素大小就相当于艾里斑的半径也就是1.22λF算出来约为1.9微米。如果固定传感器大小的话那么它的像素数就是有上限的。到达一个限度再增加像素数就会导致像素小于1.9微米再增加的像素已经提供不了新的信息了。
批注即艾里斑半径大于一个像素像素和像素之间是模糊的如果BIN的话其实还是分辨率变少所以现在市场上的超高像素相机或者手机实在是噱头以致于只能宣传BIN的好处。
