景深与焦深
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发布时间：2小时前
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时间：2024-10-21 13:18
在测量景深时，重要的是要考虑实际应用中的细节尺寸和像方频率。使用特定物体细节尺寸或像方频率，可以量化“这个镜头是否具有良好的景深？”的问题。景深曲线可以帮助我们理解在不同f/#设置下，镜头的表现如何。在图1中，展示了在固定频率20 lp/mm下，工作距离范围内的对比度级别。图1a（在f/2.8下设置）和图1b（在f/4下设置）之间的景深差别明显。随着放大倍率的减小，最佳焦点以外有更多的可用景深。
在图2中，使用与图1a相同的镜头，但工作距离不同，可以观察到较长工作距离下景深的增加。当镜头朝无限远聚焦时，会发生超焦距情形，即在一切物体都具有相同焦距的距离处实现。更改镜头的f/#会影响景深，如图3所示。对于图3中所示的每种配置，黑色虚线代表了信息的分布情况。随着物体不断远离最佳焦点位置，物体细节会移动到更广的锥形区域。f/#越低，黑色虚线扩展得越快，景深越低。随着细节变小，图3a和3b中的光束一起靠近，加快了这种效果。增加f/#会由于达到镜头的衍射极限而造成较小的细节变得模糊，因为镜头的极限分辨率与f/#成反比。
图4描述了f/2.8(a)和f/8(b)下受检测物体中心的光束。垂直线条表示以2mm为增量从最佳焦点移开并靠近镜头。每条垂直线上都有一个方形，表示单一像素细节。图4a展示了随着光束宽度超过特征尺寸，所需细节的数量快速变为每个光束的有限部分。在图4b中，光束扩展要慢许多，细节大于所显示的所有距离的光束直径，使其成为主要的信息贡献因素。
焦深作为景深像方的补充，与镜头传感器一侧的聚焦品质会如何随传感器移动变化相关。焦深决定镜头的图像平面与传感器平面之间可容忍的翻转与倾斜量。f/#越低，焦深减少越多，倾斜对达到传感器内最佳焦点所产生的影响也会越大。使用470nm照明的35mm镜头，图7a设置为f/2.8，图7b设置为f/5.6，可以观察到使用f/2.8设置下的镜头在给定的物体平面中提供最高级别的成像品质。但是，相对于传感器的倾斜将会对系统产生的实际图像品质产生负面影响，像素数量越高，影响越大。
图8中分析了图7中采用的35mm镜头的f/2.8和f/5.6的焦深。在两幅图中，最右边的垂直线表示整个图像的最佳焦点。最佳焦点左侧的每条半垂直线条表示靠近镜头背面12.5μm的位置。这些图模拟了假设分别从传感器中心到边角翻转/倾斜12.5μm和25μm时的像素位置。在f/2.8下，在变换到12.5μm倾斜位置时，*和红色光束之间已经出现了相互渗透的情况。在25μm时，红色光束现在覆盖了两个完整像素，并且越过*光束的一半，导致了严重的模糊。在f/5.6下，*和红色光束保持在一个像素中，翻转/倾斜位于此像素中心时，蓝色像素的位置不会改变。
图9描述了假定如图8所示倾斜25μm时，此35mm镜头图像边角的MTF性能变化。在f/2.8下的新性能显著下降，而在f/5.6下，性能改变较小。最重要的是，在f/5.6下将大大超过f/2.8设置下的性能。在构建多个系统时，必须注意使用具有较高公差控制能力的相机和镜头。某些镜头具有翻转/倾斜控制机制来积极克服这种影响。还必需注意，某些线性扫描传感器可能具有波状处，这意味着它们并不完全平坦；这无法通过翻转/倾斜控制来减轻或消除。
