镜头解像力检测.doc

鏡頭解像力檢測第一章：鏡頭品質檢測 在這一課程當中，我們要針對 “鏡頭的投影解像力量測 ”來做一個簡介。任何產品的產出都需要經過檢驗，對於鏡頭，我們也有一套檢測其品質的方法。所謂鏡頭的品質管理，首先要對鏡頭進行檢測，然後將這些鏡頭做品質上的分級，比方說最高級、次等級、最劣級，最後根據這些等級，下單到不同的國家。那麼，如何才稱得上好鏡頭呢？一個好鏡頭的影像品質，它所呈現出的影像是沒有變形，色彩準確，沒有場曲、沒有色差等像差，而且影像清晰細緻。一般在鏡頭品質檢測時，所考慮到的光學性質包括：畸變、光斑、亮度的均勻性、對比度、解像力等。什麼是光斑呢？如果鏡頭內部處理不佳，比方說鍍膜不良、鏡頭設計不當、鏡頭沒有塗黑，或是表面粗糙度不夠精細，這些情形都可能使鏡面產生多次反射或散射的現象，產生不必要的光線，而使影像斑斑點點，我們就稱這種現象為光斑。有關畸變的定義可參考 “鏡頭檢測之光學基礎 ”課程。畸變的量測在“鏡頭的MTF量測”課程中有介紹，而亮度的均勻性、對比度通常伴隨光學系統整體架構一起進行量測，可參考“投影機的亮度、對比度檢測”課程。在此，我們僅介紹鏡頭的投影解像力檢測。 第二章：投影解像力儀2-1 投影解像力儀 投影解像力儀是一種利用光學投影的方式進行鏡頭解像力測試的儀器，是用來評定鏡頭解像力的簡易檢測方法。我們以日本Pearl Optical Industry出廠的RPT型投影解像力儀做例子，不同的型號代表不同的款式，而它們之間最主要的分別就在於測試標靶的大小，可分別應用在不同的產品上，例如投影機、數位相機等。 2-2 投影解像力儀的外觀這是兩種不同型號的投影解像力儀：RPT-15C和RPT-107。基本上，兩者的內部構造大同小異，只有測試標靶和夾持鏡頭可移動的範圍不同。從外觀上來看，我們可以看到投影解像力儀的測試標靶、待測鏡頭的挾持環和水平調整儀，而燈源位置則在儀器的內部。 2-3 投影解像力儀的內部構造看過了外觀，現在我們來瞭解一下投影解像力儀的內部。首先，我們先得認識測試標靶，測試標靶的樣式如上圖所示，不同半徑的圓圈代表不同視場的圓。在各個視場所形成的 圓圈中：於上、下、左、右、左上、左下、右上、右下方均有不同空間頻率分佈之黑白線對。而下面的圖則為投影解像力儀的基本構造：黃色的光源經過過集光鏡組將光源投射在測試標靶上，也就是粉紅色顯示的部分；測試標靶上有許多橫直的黑白線對條紋，因此，投影出來的影像即標靶的影像。測試人員即根據黑白線對的成像清晰度來作為可否鑑別黑白條紋的解像力判斷。 第三章：解像力3-1解像力的定義 在進行解像力測試之前，我們必須了解何謂解像力? 何謂空間頻率？解像力與空間頻率的單位都是：lp/mm。lp指的就是line pair。以解像力測試標靶上的圖樣舉例說明，測試標靶的圖案是由一系列不同寬度間隔的黑白線對組合而成。標靶上的數值，如32、50.等等數值，所代表的就是空間頻率值，表示在每一個mm的範圍內，有幾組黑白條紋線對。比方說，在一個mm的範圍內有50組黑白條紋，那麼，它的空間頻率就是50 lp/mm 。而所謂的解像力指的是可鑑別非常靠近的兩個物點之能力，簡單來說，就是可鑑別多少組黑白線對的能力，也就是可鑑別多少空間頻率值的能力。對於空間頻率為 N ( lp/mm)之黑白線對而言，代表每一個mm就有N組黑白條紋，這也就是說每組黑白條紋的寬度為 1/N (mm)。 我們想像：如圖(A)所示，有一個光柵(或數個光狹縫)，光可通過的線條區域，其光強度為1 ，光不可通過的線條區域，其光強度為0 ，也就是光強度分佈近似於0、1 、 0、1的矩形方波之光強度分佈，如圖(B)所示 。但是對於通過光柵或光狹縫之光線，在每條光柵狹縫邊緣處均會產生繞射， 如圖(C)所示 。使得繞射光線並不會落在光通過之白光區，而是落在黑暗線區的邊緣，造成白光區不夠亮，黑光區不夠暗，降低了通過光柵後的黑白對比度。當光柵的條紋數目愈密，條紋之黑白對比度愈差，那麼鑑別條紋的程度愈差， 如圖(D)所示 。同樣的，由於光學系統本身含有像差，使得每對黑白條紋經過光學系統成像後，會變得較為模糊，不再是清晰的黑白條紋。黑白條紋的光強度分佈不再是黑白分明近似矩行方波的分佈，而是呈現如圖(D)的餘弦光強度分佈。所以條紋愈細，對比度相對地愈低，也就愈難被鑑別。 在測試標靶中，我們所看到的黑白條紋，有的是在成像面上沿著直徑方向排列之黑白條紋線對，另一部份則為沿著緣圓周之切線方向排列的黑白條紋線對。分別代表用來測試徑向方向與測試切線方向的成像品質的解像力。 在圖中我們可以看到S和T兩個英文字母。S是Sagittal Image，或稱為Radial Image，指的是弧矢向、徑向的成像，為沿著直徑方向，也就是由圓心輻射狀射出之箭頭方向的影像。T則是Tangential Image，也稱為 Meridinal Image，表示子午方向的成像；也就是沿著圓周上任一點位置之切線方向的影像，此方向是和徑向垂直的。檢測人員由中心往外層， 記錄各點Sagittal (S) /Tangential (T) 的解像力，這個解像力指的就是可鑑別的黑白線對之空間頻率。3-2 解像力規格需求的計算概念 解像力規格需求指的是對空間頻率的鑑別能力。那麼，要如何計算解像力的規格需求呢？首先，對於數位相機而言，我們必須要知道CCD的像素(也就是pixel數目) 以及CCD的規格尺寸。對於投影機而言，我們則必須要知道該LCD面板的畫素(pixel數目)和LCD 面板的尺寸。以1280*1024畫素的投影機來舉例：因為線對是由一黑一白所組成，代表要表現出黑白影像兩個光點，至少需要兩個畫素。所以將畫素除以2，代表此LCD 面板在水平方向最多可解析到(1280除以2等於640組)黑白條紋線對，在垂直方向最多可解析到(1024除以2等於512組)黑白條紋線對 ；對於長寬比為5比4 的LCD面板而言，LCD面板在水平方向的長度計算：是將LCD對角線的尺寸0.9吋，乘以25.4mm，再乘以五分之四所得到的結果，得到 18.29 mm值，而在垂直方向則等於(0.9*25.4*3/5=13.72 mm)；最後，我們將水平方向的線對640 lp 除以水平方向的長度18.29 mm，得到35 lp/mm，也就是說：這個鏡頭在水平方向，至少必須達到35 lp/mm的需求，才能滿足最低解像力空間頻率的需求。同理，也可計算出垂直面的解像力需求之空間頻率值為37 line pair。所以35 lp/mm和37 lp/mm就分別是這個鏡頭在水平和垂直方向的解像力空間頻率需求值。第四章：解像力檢測4-1 檢測工作和檢測記錄這是一個測試標靶的不同空間頻率之黑白線對分佈圖。在這些同心圓上可以看到許多條紋，在檢測時，檢測人員必須檢測每一圈上AH各位置點可以解像的能力有多少。一般的檢測工作包含描述鏡頭、記錄焦距範圍、焦距狀態和投影距離，然後由中心往外層，將每一圈的Sagittal和Tangential方向的可被鑑別的最高空間頻率的黑白線對記錄到檢測記錄表。4-2 檢測之考量 在進行投影解像力的測試時，有幾個需要注意的事項：我們不能單單只把鏡頭擺上去做測試，也必須