鏡頭實際性能和限制考量

為了更好理解理論和製造出的鏡頭性能可能出現的差別，範例1 - 3顯示了會於傳感器級別發生的情況，以及不同波長和f/#下的傳感器輸出的顯示情況。下面圖示展示了從理論範例到實際範例的轉變，包括像差和鏡頭製造公差。您會在調制轉換函數(MTF)和MTF曲線章節裡注意到，波長越短，理論上成像系統的性能越強。近年來，增強小像素傳感器效能已極其依賴於藍光LED。請記住愛特蒙特光學最佳範例#5, 顏色效應，瞭解鏡頭在不同f/#和波長下的物理特性和限制，有助於使用者優化高分辨率傳感器的效用，並能夠為曾經很棘手的應用提供解決方案。

範例1：(理論)低f/#下不同波長光斑大小和像素輸出的變化

圖 1a and 1b 展示了四種完美成像的不同波長，不足之處是繞射 (請參閱解析度與對比度限制：艾里斑) 在包含3.45μm像素並於f/2.8下的傳感器中央造成了一些模糊。這是大家認為是比較小像素大小，常見的2/3吋5百萬像素的傳感器具備這樣的像素，許多相機公司皆採用這款傳感器。 圖 1a 顯示了波長從470nm（藍光）增加到880nm(NIR)後的光斑大小差異。 圖 1b 顯示了 圖 1a 中的鏡頭所產生的每個圖像的像素輸出；請注意，較短的波長所產生的光斑較小。

Variations in spot sizes and pixel outputs with wavelength at low f/#.

圖 1: 於低f/#下光斑大小和像素輸出——隨波長的變化。

範例2：(理論)高f/#下不同波長光斑大小和像素輸出的變化

圖 2 中的圖像與 圖 1類似，但光圈設定已變更為f/8。在此設定下，圖 2a 顯示所有不同波長的光斑都超出了單個像素的大小，這會導致能量滲入鄰近的像素。 圖 2b 顯示了於較長的波長下，像素輸出中有明顯的模糊，而且880nm時產生的光斑無法再分離。這說明改變光圈產生出來的物理結果（即使是在理論上完美的系統中）。

FVariation in spot sizes and pixel outputs with wavelength at high f/#.

圖 2: 於高f/#下光斑大小和像素輸出——隨波長的變化。

範例3：在包含像差的實際鏡頭中，光斑大小和像素輸出隨波長的變化

本範例中顯示了於f/2.8下真正鏡頭設計的中心和邊角的真實成像的狀況。這些圖示說明即使是最高品質的鏡頭中本身的像差以及與製造公差相關的成像現象。像差會令成像資訊產生錯位並改變所產生之光斑形狀，導致不再為旋轉對稱的形狀；像差的外觀特性由整體鏡頭像差總和來決定。 (更多像差詳情請參閱像差。請注意，圖像邊角處的像差往往比中心處更明顯。 圖 1a 和 1b 中顯示的光斑與 圖 3a 和 3b中顯示的光斑有很大的不同； 圖 1 是理論演示， 圖 3 則使用真實鏡頭。注意像差如何影響 圖 3c 以及 3d中所顯示的光斑形狀。

Variation in spot sizes and pixel outputs with wavelength in real lenses that include aberrations.

圖 3: 在包含像差的實際鏡頭中，光斑大小和像素輸出隨波長的變化。

範例4：實際鏡頭效能。查看實際圖像。

圖 4 是測試版檢查，顯示了兩個具有相同焦距(16mm)、f/# (2.8)和視場（水平100mm）覆蓋範圍的鏡頭的實際效能差異。這些圖像展示了關於(MTF)、f/#、和波長的部份。中詳述的所有概念。測試板是一個多邊星標測試板，允許同時顯示所有視場區域以及所有方向的各種頻率（分辨率）。有關此測試板以及其他用作系統效能基準之測試板的更多詳情，請参阅分辨率和 MTF 測試。透過檢查視場的特寫部分（線上提供完整的解析度圖像），可以發現鏡頭效能的差異。圖 4 顯示了完整的星標；我們將對兩個不同鏡頭位於測試板中心、底部中間以及邊角處的突出顯示區域進行比較。本範例中使用了3.45μm像素、總解析度為500萬像素的Sony ICX625單色傳感器以及白光背光光源。

A star target is imaged with two lenses (A and B) with the same focal length, f/#, FOV, and sensor.

圖 4: 星標是由兩個具有相同焦距、f/#、視場和傳感器的鏡頭（A 和 B）成像的。鏡頭A在所有方面的優越性都很明顯，但在圖像邊緣和邊角處最為顯著。

圖 4 中顯示的比較情況展示了鏡頭A的出色效能。具體來說，圖像邊角處的對比度差異顯著，很顯然，鏡頭B範例中更難以區分黑色和白色。此外，不同像差（主要是像散性）的方向性突出；可以看到與徑向方向傳播的線條關聯的更多細節。

圖 4（黃色方框和紅色方框）中圖像和邊角處的特寫還顯示了一個問題，每個黑白線對總共覆蓋了約10個像素。相較於圖像中心的可解析部分，空間解析度（由於模糊的像圈覆蓋了多個像素）從近中心處的500萬像素(2448 x 2050)有效降低到了邊角處的約500 x 400像素，這低於VGA傳感器（640 x 480像素）可再現的解析度。即使在較低的傳感器解析度下，某些鏡頭由於設計限制和製造公差的原因，仍然很難清晰分辨，這可透過每個鏡頭的不同對比度差別來區分。例如，鏡頭A在黃色方框中的對比度級別為45%，鏡頭B在紅色方框中的對比度為7%。

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