掃描鏡頭光學(xué)要點分析

掃描鏡頭要點分析Avision機構(gòu)研發(fā)二課王鋒

2007/01/08一，掃描物鏡三個基本的光學(xué)特性

二，鏡頭的結(jié)構(gòu)特點

三，鏡頭相關(guān)參數(shù)的解釋：

<1>幾何參數(shù)

<2>性能參數(shù)（EFF,illumination,MTF,分辨率，像差）

四，MTF機臺測試功能的簡介

五，鏡頭像差分類及解釋

六，反映鏡頭光學(xué)設(shè)計的若干張圖的解釋：

MTF圖，球差/場曲/畸變/圖，Throughfocus圖

七，鏡頭規(guī)格書參數(shù)的解釋

八，GOLDENSAMPLE的挑選Avison綱要一，掃描物鏡三個基本的光學(xué)特性Avision

相對孔徑放大率共軛距1，相對孔徑：

它表示鏡頭通過光線的能力，用D/f‘表示。

它定義為鏡頭的光孔直徑（也稱入瞳直徑）D

與鏡頭焦距f‘之比Avision1，若光學(xué)設(shè)計中光闌放在第一面上，則孔徑光闌口徑大小即為系統(tǒng)的入瞳大小。

2，在焦距一定的情況下，光圈數(shù)越小則相對孔徑越大，設(shè)計和製造的難度也就越大，鏡頭的檔次越高。例：一款鏡頭

入瞳直徑大小根據(jù)F/#的定義為4.86/2.8=1.735mm，這是一個很小的尺寸。Avision相對孔徑的倒數(shù)稱為鏡頭的光圈係數(shù)或光圈數(shù)，

又稱F

數(shù)，即F=f'/D。光圈好比是水龍頭。如果把它開大，就能有大量的光線進(jìn)入；如果把它關(guān)小，就只會進(jìn)入較少的光線。

光圈是表徵鏡頭單位時間通光量的單位。舉例：照相機鏡頭---我們從鏡頭看進(jìn)去可以看見一個環(huán)形的活動“門”，這就是光圈，通過這道門的打開關(guān)閉就可以控制進(jìn)入鏡頭的光量。2，放大率(Magnification）

：它是用CCD端圖像的大小除以文稿面的大小

Avision

例：

FOR600DPI/5.25μCCD

25.4/600=0.0423

M=像/物=0.00525/0.0423=0.124掃描儀的分辨率

=CCD上的單元數(shù)/A4幅面窄邊的英寸長度比如掃描儀CCD上的單元為5100個左右。光學(xué)分辨率=5100/8.5=600DPI放大率是掃描物鏡的一個重要指標(biāo)

由於一般物體大小是固定的，故放大率愈小，意味著鏡頭的像面愈小，焦距也就愈短，相對來講掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以做的更小，但同時要求鏡頭的解像力也愈高。

Avison3，共軛距是指物像之間的長度

（totaltrack<T.T.>)Avision

又名，光程總長（totaltrack）：

它是Chassis的大小以及光路的設(shè)計所決定的。它的距離是從文稿面開始到CCD感應(yīng)器的距離和。Avison

對鏡頭來講，一般希望其愈長愈好，共軛距愈短，意味著鏡頭愈難設(shè)計（視場角增大）。其原理圖同照相物鏡一樣，是一個縮小的過程。掃描物鏡的設(shè)計特點：

1．掃描物鏡屬於小孔徑小像差系統(tǒng)，要求的光學(xué)解像力較高。

2．由於光電器件的原因，不僅要校正白光（混合光）的像差，同時需要考慮R、G、B

三種獨立波長的像差。

3．嚴(yán)格校正畸變像差。Avision二，鏡頭的結(jié)構(gòu)特點分析

1，鏡頭的裝配圖

2，鏡頭光路模擬圖

3，提問式的解答LENS上採用這種設(shè)計的目的Avsion一般的鏡頭結(jié)構(gòu)都是由：HOLDER，LENS，SPACER，STOP。

有的還會有SOMA，MYLAR。Avsion1，鏡頭的裝配圖2，光學(xué)設(shè)計---鏡頭光路模擬圖Avsion

《1》

爲(wèi)何鏡頭都采用多片凸、凹透鏡組成？

採用這樣的結(jié)構(gòu)，主要是利用各種透鏡的性能互相抵消、減弱像差，從而提高結(jié)像質(zhì)量。Avison《2》爲(wèi)何鏡頭需要鍍膜：現(xiàn)代鏡頭大部分都經(jīng)過鍍膜處理，我們看到的鏡頭表面呈藍(lán)紫色、微紅色、暗綠色等現(xiàn)象，就是鍍膜的結(jié)果。鏡頭鍍膜的作用主要是提高透光能力，提高影像品質(zhì)。

3，提問式的解答LENS上採用這種設(shè)計的目的為了校正這些像差，鏡頭的設(shè)計采用了各種辦法，除了採用凹凸透鏡的組合。還會採用--例如用兩種不同的折射率光學(xué)材料校正色差等，因此，一個好的鏡頭可能設(shè)計使用多片透鏡，絕不是簡單的1個凸透鏡能實現(xiàn)的。Avison《3》對於鏡頭可能出現(xiàn)的各種像差：例如球差，慧差，色差等等怎麼校正像差？三，LENS相關(guān)參數(shù)的解釋Avison1.幾何參數(shù)

2.性能參數(shù)

〈1〉EFL

〈2〉周邊光亮

〈3〉MTF

：

〈一〉概念

〈二〉公式講解

〈三〉舉例説明，計算演示

〈4〉分辨率1.幾何參數(shù)（長度和直徑及溝槽的位置等）?

長度大小沒有嚴(yán)格的限制。一般設(shè)計時都是規(guī)定在一個大概範(fàn)圍內(nèi)。本著不影響鏡頭的調(diào)試和成本不高的原則。

直徑的大小要嚴(yán)格限制。這是由于在掃描儀設(shè)計時，先確定了CHASSIS的幾何尺寸。

溝槽位置的制定是以方便調(diào)試為原則

AvisonLENS機構(gòu)圖上各尺寸的含義Avison2.性能參數(shù)

（F、周邊光亮、MTF、

分辨率，等等）

Avison（1）有效焦距（effectivefocallength）：它是指光線通過鏡頭所有鏡片後彙聚的焦點到鏡心的距離。

另外放大倍率和所用鏡頭的焦距有關(guān)，

鏡頭的焦距越長，放大倍率也就越大

圖解有效焦距的定義，下圖中的A尺寸就是EFLAvison

（2）周邊光量（illumination）：

鏡頭的周邊光量與半畫角有關(guān)，半畫角越大鏡頭及CCD的周邊光量與中央光量差值越大。

周邊光量產(chǎn)生的主要原因是光線通過中央及兩側(cè)時所經(jīng)過的距離不同。

若中央輝度為100%，兩側(cè)的輝度為半畫角余弦值的四次方。

Avison

（3）MTF

-------ModulationTransferFunction

翻譯成中文就是光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)

Avison它是評估CCD和鏡頭解析能力重要參數(shù)。影像的亮度變化率越大和圖像密度越細(xì)時，光學(xué)成像惡化的程度越大。

它有另外一個名稱叫做ContrastTransferFunction，

也就是：對比度轉(zhuǎn)換函數(shù)。

從名稱來看，我們可以知道MTF有光學(xué)對比的概念在裏面。

<1>

﹄對比度﹃是描述圖像的邊緣區(qū)域是否能夠有效地區(qū)分，是不是黑的很黑而白的很白。

AvisonMTF----

是I的maximum減去I的minimum除以I的maximum加上I的minimum；

也就是(光的最亮度減去光的最暗度)與(光的最亮度加上光的最暗度)的比值，所得出來的結(jié)果，就是光的對比度。

C=Avison﹄對比度﹃定義﹄對比度﹃和﹄分辨率﹃息息相關(guān)

區(qū)別越大，物體的細(xì)節(jié)越容易分辨，當(dāng)然分辨率越高。

在物空間，有物的對比度

在像空間，有成像的對比度

Avison

這是因為透鏡有像差，成像質(zhì)量不見得非常好的關(guān)系。測試CHART，黑白分明的條紋經(jīng)過透鏡投射出來的成像會比較模糊。

物的對比度（Mo

）

指的就是測試CHART的黑白條紋對比度，

像的對比度（Mi）

指的就是測試CHART經(jīng)過透鏡成像后之黑白條紋對比度。

Avison為什么兩者的對比度會有所差異？

MTF就是Mi比上Mo的值

Avison=

CHART-Object

黑白條紋中最亮的光強度（Imax）為1000，

最暗的光強度(Imin)為2，

=1000-2/1000+2=0.996

Avison舉例説明：CHART經(jīng)過透鏡后：黑白條紋中最亮的光強度（Imax）為960，

最暗的光強度(Imin)為250，

=960-250/960+250=0.587=Avison

=0.587/0.996=0.589

=58.9%﹄分辨率﹃

(Resolution)

：

描述的是光學(xué)系統(tǒng)能夠分辨的最小物體的距離。

Avison一般採用的是所謂的瑞利判據(jù)。如圖所示，由於衍射,像差等影響，光學(xué)系統(tǒng)對一個點所成的像的強度成鐘形分佈，那麼兩個相近的點所成的像會有重疊，兩點越近，重疊部分越大，兩點中間的強度不再是零，而是越來越接近最大值。瑞利判據(jù)認(rèn)為，重疊部分的強度小於最大值的83%時，人眼是可以分辨的開的。鏡頭的分辨率（解析度）：

一般用成對的黑白相間線來標(biāo)定Avison

1，描述為能夠分辨的黑白線對的密度

-----------即每毫米多少線對(lp/mm).

lp代表linepair，mm代表permini-meter

需要指出的是，像空間的解析度和物空間的解析度相關(guān)。MTF值隨著黑白線對之空間頻率改變而有所差異四，MTF機臺測試功能的簡介

Avison1，一般的光學(xué)厰現(xiàn)在所用的MTF機臺：九驊，信統(tǒng)機臺2，不同的專業(yè)性的機臺測試的差異一般在5左右3，通過MTF測試機臺，可以測試到的相關(guān)數(shù)據(jù)：

〈1，EFL〈2，MTF〈3，相對照度〈4，畸變〈5，色差

〈6，DOF

等MTF機臺主畫面Avison

Avison五，鏡頭像差（一）[“球差”]

是由于透鏡是球面而引起的一種像差。

Avison

（1）採用非球面透鏡。

（2）採用多片透鏡的組合，使多片凹、凸透鏡的不同透光特性相互抵消，減小球差的影響。這是目前鏡頭設(shè)計中普遍採用的方法。、

（3）對存在球差的鏡頭，使用時縮小光圈也是減小甚至消除球差的常用方法。消除或減小球差的方法主要有：（二）色差：

鏡頭對不同色光產(chǎn)生的聚焦點不一的像差稱為色差。

色差分為“縱向色差”和“橫向色差”。

當(dāng)白光射入鏡頭，由于折射能力的不同，紅光、藍(lán)光、綠光的成像位置會落在不同的地方。

Avison（三）畸變像差：

是指透鏡成像時，視場的不同區(qū)域所形成的影像放大率不同而產(chǎn)生的一種變形，表現(xiàn)為影像扭曲。

畸變分為兩種，針形畸變和桶形畸變

無畸變圖像，Barrel畸變，Pincushion畸變示意圖Avison畸變只影響成像的形狀而不影響成像的清晰度。

畸變則是由於放大率隨到光軸中心的距離變化造成的。隨著像點的遠(yuǎn)離，物體上對應(yīng)的點離鏡頭中心的距離實際在增加，從幾何成像公式得知像距在縮小，也就是說成像會聚的點在像面之前，像面上探測到的圖像實際已經(jīng)離焦，看起來就比原來的圖像大。離軸線越遠(yuǎn)，這個現(xiàn)象越嚴(yán)重。這就造成了圖像的畸變，非常重要的一點是，圖像的資訊並沒有丟失，只是位置不對！

畸變的校正一般用黑白分明的方格子圖像來進(jìn)行,過程並不複雜。一般如果畸變小於2%，人眼是觀察不到的。Avison從中心點到影像最外圍頂點的距離我們稱它為A，從中心點到理想方格的頂點的距離為B，畸變的程度計算就是將A減去B除以B，再乘上百分比所得到的結(jié)果。針形畸變的計算結(jié)果是正的，

桶形畸變所得的結(jié)果則是負(fù)的。計算方法（四）像場彎曲：

是指平面物體通過鏡頭成像時，不能在焦平面清晰地結(jié)像，而是在一個盤形曲面上清晰結(jié)像。Avison

（五）彗形像差：是指透鏡光軸外的光線（即斜射光線）在成像時不能在像平面聚焦于一點，而是形成彗星狀（梨狀）的彌散斑構(gòu)成影像，因而使影像清晰度下降。

在鏡頭存在的各種像差中，球面像差和縱向色差是影響整幅畫面上影像質(zhì)量的像差；橫向色差、畸變像差、像場彎曲、像散、彗形像差則是影響畫面邊緣上影像質(zhì)量的像差。用適當(dāng)縮小光圈的方法，可以減小球差、像散、場曲和彗差六，反映鏡頭光學(xué)設(shè)計的若干張圖的解釋

MTF圖球差/場曲/畸變/圖，Throughfocus圖〈1〉T，S方向MTF圖示Avison

橫軸----為空間頻率（LP/MM），

縱軸-----為MTF值（%），

MTF之最大值為1。Avison中心視場的MTF0.7視場的MTF0.9視場的MTF全視場的MTF紅色代表：綠色代表：藍(lán)色代表：粉紅色代表：實綫代表：T（子午面的MTF）

虛綫代表：S（弧矢面的MTF）Avison球差

場曲畸變〈2〉球差，場曲，畸變圖三張圖形所描述的：

1，球差

2，像場彎曲

3，畸變Avison橫坐標(biāo)為球差/像場彎曲/畸變程度，縱坐標(biāo)為視場（視場高度），從圖表中便可清楚看出不同視場的球差/像場彎曲/畸變坐標(biāo)表示什麼？600DPI：掃描儀的解像力。5.25u:CCD的PIXEL大小。TT280.5：光學(xué)縂長。F5.5：光圈數(shù)上圖所描述的是橫向色差在不同視場的情況下的變化Avison色差的變化數(shù)值視場紅色表示R-G色差

藍(lán)色表示B-G色差

虛綫表示B-R色差〈3〉橫向色差圖〈4〉ThroughFocus圖示Avison七，鏡頭的規(guī)格書的解釋Avison1，Avison表示鏡頭是由4個鏡片構(gòu)成，且材質(zhì)都是玻璃。2，Workingdistance:也就是物距，物體到鏡頭的距離u

3,表示A4紙的寬邊的長度4，Avison表示放大率5，表示相對照度6，