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1、第 17 页 共 9 页17章节内容第 18 页 共 9 页18数码镜头设计原理_基础篇第二章 分辩率第一节 分辩率问题_数码镜头鉴别率与面阵 CCD 象素的匹配1 数码镜头鉴别率概念数码相机鉴别率定义为在象面处镜头在单位毫米上可鉴别的黑白线对数，如下图所示：图 1 鉴别率与线宽的计算上算式有两个用途：1 根据镜头对分辩率的设计要求，计算出检校仪分划板的要求由公式（1）可根据镜头的鉴别率要求，解出线宽 d 来。例如：图 1 中的鉴别率是 15 线对/毫米，那么线宽=1/（2*15 ）=0.03333（毫米/每个线宽） 。则分画板最小线宽应安此刻划。2 在仿型设计中，根据检校仪上可分辩的线条宽度
2、，提出设计镜头的分辩率要求只需将（1）式变换成鉴别率用分划最小间隔表示的函数式进行计算，即可得到镜头设计时鉴别率应达到值。注意：上两条都是对所涉计到的镜头，在其象方成象面上对分辩率的计算。如果所知数据不在成象面上，一定要转换计算到象面后，才能用（1）式处理。)()/()2.( 毫 米线 对鉴 别 率两 黑 线 中 心 距 d第 19 页 共 9 页192 CCD 分辩率CCD 的分辩率是用象素总数表示的。设在水平方向上 CCD 感光有效长度是 M 毫米，在垂直方向上 CCD 感光有效长度是 N 毫米。如果象素（最小感光单元称之为象素）的尺寸是 m2 * n2，那么在水平方向上的象素总数 =M/
3、m2，在垂直方向上的象素总数=N/n2,最后可用下式算出 CCD 的整个感光面上的象素总数：3 数码镜头分辩率与 CCD 分辩力的匹配在水平方向上数码镜头对线状分辩率图案的成象，其每个线宽恰好站用一个象素，我们就称在水平方向上选用的 CCD 与数码镜头在分辩率上是相配的; 在垂直方向上也可同样理解之。这样定义保正了 CCD 在最少象素总数下，恰好能分辩清象的细节。可见这种定义是合理的。看图 2，就可理解相配的含义，也可用以数码镜头对 CCD 象素总数要求的计算。图 2 CCD 象素总数计算（最小方格为一最小感光单元：8 象素）由图 2 和（2）式可计算出图中 CCD 的象素总数：第 20 页
4、共 9 页20设 CCD 的 M=1mm， N=1mm。镜头象方分辩力=15 线对/毫米，现计算其象素总数如下：由（1）式有：d=1/(2*镜头象方分辩力 )=1/30=0.03333(毫米/ 每黑白线对)可见与该镜头相配的 CCD 最小感光单元象素尺寸 m2*n2=0.03333*0.03333 毫米由（2）式有：CCD 象素总数=1/(0.03333)*1/(0.03333)=900 象素如果镜头鉴别率是 150 线对/毫米，CCD 感光面 M=4.8mm，N=3.6mm。由（1）式有：d=1/(2*镜头象方分辩力 )=1/300=0.003333(毫米/ 每黑白线对)由（2）式有：CCD
5、 象素总数=4.8/(0.003333)*3.6/(0.003333)= 1920000 象素。这就是说分辩率是 150 线对/毫米的镜头，可配 1/3 英寸 200 万象素的 CCD。由上面的计算可知，为使摄象头与 CCD 相配，需知道 CCD 的感光面尺寸，由“CCD 应用技术”一书的 168 页表 8-3 有各种规格的 CCD 感光面尺寸如下表 1表 1 CCD 感光面尺寸1 英寸 2/3 英寸 1/2 英寸 1/3 英寸 1/4 英寸12.8*9.6 8.8*6.6 6.4*4.8 4.8*3.6 3.6*2.7由表 1 就可查出各种规格的 CCD 感光面尺寸：M 和 N 值。4 CC
6、D 上镜头鉴别率的分区域要求在 CCD 上 0.7 视场的 MTF=0.3 时的频率定为该镜头的鉴别率，CCD 的选配也应以此为准。同时要求 0.7 视场内的鉴别率都要比它高。中心视场鉴别率至少应是它的 1.5 倍。本来对最大视场的鉴别率不应要求的，但考率象面分辩颅整体性，最好不低于 0.7 视场的 0.3倍。5 CCD 上不同频率下 MTF 要求镜头的低分辩率决定了物体象轮廓的清析度，镜头的中分辩率决定了物体象的层次感（即在一定物空间内都较清楚） ，镜头的高分辩率决定了分遍物体象细节的能力。前面说说的数码镜头的分辩力是指最高分辩力。好的 MTF 曲线应接近一条倾斜的直线。6 CCD 最小象素
7、单元尺寸在上面我们计算了 150 线对/毫米鉴别率的镜头，它可匹配 200 万象素的 CCD。实际上由于最小感光单元受工艺水平的限制，一般情况下（指有较大规模经济情况下）是很难制出 0.003 尺寸的 CCD 来，因此应根据工艺允许的 CCD 最小感光单元尺寸计算相配的镜头分辩率。现在市场上 1/3 英寸的 CCD 最多也只达到 150 万象素。为了给工艺加工和装配上留有余地，150 万象素的 CCD 配 200 万象素的镜头还是合适的。我们测绘了南函的一个镜头，中心鉴别率是 600 线对/毫米，0.7 视场的是 150 线对/ 毫米。那么这个镜头与 CCD 相配其鉴别率应算多少呢？这个问题可
8、以这样考率：0.7 视场以内是主要成象区，应以在此区间内镜头能达到的最低鉴别率为准来评价该镜头的鉴别率。注意：由于 CCD 分辩率的限制，光电系统对视场中心也只能达到 150 万象素的水平，反算镜头在视场中心的有效鉴别率也只能达到 120 线对/毫米（估算） 。这就是说，中心视第 21 页 共 9 页21场镜头鉴别率没有必要太高，太高了 CCD 也分辩不清。一般中心视场是 0.7 视场的 1.5 倍就可以了。这与胶片为接收器的情况是不同的（胶片的分辩率比镜头的分辩率高很多，不能过多牺牲中心视场的鉴别率以获得提高 0.7 视常场的校正潜力） 。由上面知道 CCD 的感光单元的最小尺寸受到工艺的限
9、制，1/3 英寸的 CCD 其真实鉴别率（在最小象元间用软件插值的方法获得的高象素水平，并不能提高整个光电系统分辩物体细节的能力。这个道理与数码变焦不能提高系统分辩本领的道理是一样的。插值增加象素的作法有它一定的极积一面，当数码影象放大时，不会出现码赛克现象，图象图素间有光滑的过度，使象看起来揉合）只能到 150 万的水平，1/3 英寸的数码象机标榜 200 万以上的象素水平，多数是采用了软件插值，除非采用了昂贵的 CCD 芯片。为了获的更多的图象细节方面的信息，需增多 CCD 象元总数，只能统过增大 CCD 尺寸来达到。例如选 1/2 英寸或 2/3 英寸的 CCD。7 工艺分辩率工艺分辩率
10、是指镜头加工完后可达到的鉴别率，这个鉴别率应是设计时，MTF=0.30时镜头设计所能达到的频数（由前第一章 CCD 与 CMOS 可知它们的 MTF 域值为=0.15，因此给的 MTF 工艺下降允许值是 0.3-0.15=0.15这就是在 Zemax 中分配镜头公差时的依据） 。问题是应给需设计的镜头以什么工艺鉴别率才是合理的？给高了设计不出来（例如高于镜头的理论鉴别率） ，低了满足不了要求。下面就是在“第八章 光电系统中”对此问题的探讨，可作为提出镜头设计时，对鉴别率的指标要求。- （3） 上式为对望远系统工艺鉴别率角值（以秒为单位）设计要求算式。至于显微系统，照象系统的相应公式，及其工艺系
11、数取值，可参考下面的选取方法（主要看镜片个数，及透镜的焦距长短，共轴性的要求等） 。该公式的实质是根据鉴别率要求，确定透镜的通光口镜; 或依据口径要求，确定鉴别率要求。在微光与夜视望远系统中，往往是先依据目标亮度算出口镜要求，再由上式算出工艺鉴别率要求的。而在测量对准系统中，依据对准要求，提出工艺鉴别率要求，再算出应使用的物镜口径值。第 22 页 共 9 页22当然，镜头鉴别率不仅与镜头口径和加工精度有关，更和使用时对象质的要求有关。因此全面的提出一个合理的鉴别率要求，是镜头设计时的重要环节。第二节 镜头鉴别率匹配 CCD 实例下面是我给网友电脑眼镜头进行设计评价中关于鉴别率部分的内容。第 2
12、3 页 共 9 页236mm 镜头综合质量情况一 镜头的鉴别率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分辩出分辩率线对的 MTF 值。数码镜头鉴别率 MTF 值，应由接收器的域值决定。CCD，CMOS 的 MTF 域值为0.15。考虑设计传函镜头加工完后的 MTF 会下降 0.10.15，应此镜头的设计传函域值应定为 0.32 镜头设计达到的鉴别率频数值镜头与其设计传函 MTF 域值对应的传函频率定为该镜头的鉴别率。3 6mm 镜头鉴别率如下：你设计镜头的鉴别率是 80 lp/mm（此时 0.7 视场 MTF=0.3）二 镜头的鉴别率与 CMOS 匹配情
13、况1 镜头等效总相素的计算由于 CMOS 分辩率（一般称分辩力）是由最小感光单元总数决定的。为了降低成本，应使镜头鉴别率与 CMOS 分辩力相配。当镜头鉴别率图象的线宽等于 CMOS 最小感光单元边长时，就称镜头鉴别率与 CMOS 分辩力相配。但是镜头在使用中有景深，为了使镜头偏离照准面仍成象清楚，应使镜头鉴别率略高于 CMOS 分辩力来使用，这样在偏离照准面的景深范围内，仍可清晰成象。同时注意，不能使镜头鉴别率高出 CMOS 分辩力较多，否则会出现小象素干扰现象。下面是镜头等校象素的计算：（1） 镜头鉴别率与 CMOS 最小感光单元边长的换算式鉴别率线宽计算：（2） 镜头等效水平象素计算式（
14、3） 镜头等效垂直象素总数计算式第 24 页 共 9 页24（4） 镜头等效总象素计算式镜头等平效总象素：mn= m x n2 计算实例可见此镜头的等效象素总数是 44 万，即可配 35 万以下相素总数的 CMOS ( 该镜头鉴别率与低象素 CMOS 是相配的 )。第三节 分辩率问题_数码镜头鉴别率与面阵 CMOS 象素的匹配关于这个问题，在我与网友的邮件中曾涉及到，下面是这部分的内容：1 高象素引起象面抖动问题我们最近一值在搞电脑眼的设计，查讯了许多资料，其中就有“高象素会引起对临近感光单元的串扰”的说法，那篇资料讲“在改进的 CMOS 电路上采取了措施，减少了小象素对临近感光单元的串扰”
15、。至于什么现象，及为什么会产生干扰没讲。但我对这个问题进行了分析，说明如下：在上图表示由于微小振动，使高象素图案由位置 1 走到位置 2，最小感光单元中亮线少了 1 条，平均良度变化就明显，宏观上出现了象的抖动现象。我们再第 25 页 共 9 页25看低象素的情况： 由于镜头鉴别率低，使在最小感光单元内只有一条亮线，当微小振动出现时，并不会使最小感光单元内亮线增加或减少，因此象是稳定的。如果电路上对最小感光单元亮度高频变化加以限制，就可稳定象的抖动。我想电路上的措施就应指此。2 电脑眼配 CMOS 的鉴别率现在电脑眼配的经济型 CMOS 的象素最高在 30 万左右，其驱动电路都没有对象面高频抖动进行抑制，因此鉴别率太高的镜头输出的数字图象是不稳定的。一般来说，在三分之一英寸的 CMOS 上用的镜头，其鉴别率不要超出 80 lp/mm(等效 40 万相素，略高于经济型三分之一英寸 CMOS 的 30 万象素) 。
