艾里斑大小与像元尺寸的匹配问题

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R=1.22λF，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。）

艾里斑大小与像元尺寸的匹配问题相关推荐

相机靶面大小和显微镜FN的匹配关系
相机靶面大小和显微镜FN的匹配关系相机的作用说白了就是将显微镜光路所放大的像显示出来. 在显微镜领域有一个专业术语叫做Field Number(以下简称FN,概念可参考:https://www.mi ...
NCC多尺寸模板匹配MATLAB
NCC多尺寸模板匹配MATLAB 模板匹配 NCC 运行结果具体代码总结模板匹配模板匹配首先给出一份模板,通过对于目标图像中的检索,找到目标图像中区域与模板最为契合的部分. 再本次程序中,流程 ...
opencv自适应尺寸模板匹配
opencv自带的模板匹配常规做法: 1.转换灰度图 cvtColor(img_template, img_template, CV_RGB2GRAY);cvtColor(org, org, CV_R ...
计算机和打印机的打印机尺寸设置不匹配,理光MP5000B复印机无法打印提示纸张尺寸不匹配怎么办?...
在我们平时的工作中复印机是经常要用到的,在办公的时候我们偶尔会碰到复印机显示纸张尺寸不匹配而无法打印的情况,找人来修耽误时间浪费钱,这里小编给大家详细介绍一下理光MP5000B复印机显示纸张尺寸不匹配 ...
css如何改变视频大小,调整视频的大小取决于屏幕尺寸少用CSS
我想在我的主页的背景添加视频. 基本上我想避免当浏览器分辨率与我的视频分辨率不同时在边上有黑色条纹.调整视频的大小取决于屏幕尺寸少用CSS 要优化加载时间,我想用更少的CSS,所以我想在更短的像这样来 ...
visual stdio打开之后与屏幕尺寸不匹配_柔和点亮桌面，让眼睛更舒服，雷神屏幕挂灯L1体验...
这两年屏幕挂灯凭借节省桌面空间.照明时屏幕不反光等优势,占据了很多人的桌面,对于经常在屏幕前工作和学习的朋友来说,屏幕挂灯无疑是比传统台灯更加实用的选择.而且比起刚开始价格偏高的门槛,现在屏幕挂灯作为 ...
联想电脑尺寸在哪里看_怎么看笔记本屏幕大小笔记本屏幕型号尺寸查看方法介绍...
最近有网友"微笑"问小编这样一个问题:笔记本屏幕大小怎么看?如何查看笔记本屏幕型号呢?对于这个问题,笔者感觉又简单,但又不好如何解释.我们知道,一般笔记本的屏幕大小主流相对固定的几 ...
怎么不改变像素改变kb大小？照片尺寸怎么修改？
不同的证件类型对证件照的尺寸要求是不同的,需要根据要求对证件照片尺寸修改.可是,怎么才能修改图片大小(https://www.yasuotu.com/size)呢?下面小编分享一个快捷方便的在线改图片 ...
jquery file upload 限制上传文件的格式、大小或图片尺寸
限制文件格式.大小 $("#head").fileupload({url: "/front/user/uploadHead",dataType: 'json', ...
怎么修改淘宝主图尺寸大小？图片尺寸修改的方法
在制作淘宝主图的时候,偶尔会需要修改图片尺寸来符合上传要求,那么怎么去给图片改大小(https://www.yasuotu.com/size)呢?这里可以通过在线改图片大小的方法来实现,快捷又方便,而 ...

艾里斑大小与像元尺寸的匹配问题

艾里斑大小与像元尺寸的匹配问题相关推荐

最新文章

热门文章