扫描镜头光学要点分析

掃描鏡頭要點分析Avision機構研發二課王鋒

2007/01/08一，掃描物鏡三個基本的光學特性

二，鏡頭的結構特點

三，鏡頭相關參數的解釋：

<1>幾何參數

<2>性能參數（EFF,illumination,MTF,分辨率，像差）

四，MTF機台測試功能的簡介

五，鏡頭像差分類及解釋

六，反映鏡頭光學設計的若干張圖的解釋：

MTF圖，球差/場曲/畸變/圖，Throughfocus圖

七，鏡頭規格書參數的解釋

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

相对孔径放大率共轭距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，若光學設計中光闌放在第一面上，則孔徑光闌口徑大小即為系統的入瞳大小。

2，在焦距一定的情況下，光圈數越小則相對孔徑越大，設計和製造的難度也就越大，鏡頭的檔次越高。例：一款镜头

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

又稱F

數，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入；如果把它關小，就只會進入較少的光線。

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

：它是用CCD端图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扫描仪的分辨率

=CCD上的单元数/A4幅面窄边的英寸长度比如扫描仪CCD上的单元为5100个左右。光学分辨率=5100/8.5=600DPI放大率是掃描物鏡的一個重要指標

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，相對來講掃描系統結構可以做的更小，但同時要求鏡頭的解像力也愈高。

Avison3，共轭距是指物像之间的长度

（totaltrack<T.T.>)Avision

又名，光程總長（totaltrack）：

它是Chassis的大小以及光路的設計所決定的。它的距離是從文稿面開始到CCD感應器的距離和。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。掃描物鏡的設計特點：

1．掃描物鏡屬於小孔徑小像差系統，要求的光學解像力較高。

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．嚴格校正畸變像差。Avision二，鏡頭的結構特點分析

1，鏡頭的裝配圖

2，鏡頭光路模擬圖

3，提問式的解答LENS上採用這種設計的目的Avsion一般的鏡頭結構都是由：HOLDER，LENS，SPACER，STOP。

有的還會有SOMA，MYLAR。Avsion1，鏡頭的裝配圖2，光學設計---镜頭光路模擬圖Avsion

《1》

爲何镜头都采用多片凸、凹透镜组成？

採用這樣的結構，主要是利用各种透镜的性能互相抵消、减弱像差，從而提高结像质量。Avison《2》爲何鏡頭需要鍍膜：現代鏡頭大部分都經過鍍膜處理，我們看到的鏡頭表面呈藍紫色、微紅色、暗綠色等現象，就是鍍膜的結果。鏡頭鍍膜的作用主要是提高透光能力，提高影像品質。

3，提問式的解答LENS上採用這種設計的目的为了校正这些像差，镜头的设计采用了各种办法，除了採用凹凸透鏡的組合。還會採用--例如用两种不同的折射率光学材料校正色差等，因此，一个好的镜头可能设计使用多片透镜，绝不是简单的1个凸透镜能实现的。Avison《3》對於鏡頭可能出現的各種像差：例如球差，慧差，色差等等怎麽校正像差？三，LENS相關參數的解釋Avison1.幾何參數

2.性能參數

〈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（長度和直徑及溝槽的位置等）?

長度大小沒有嚴格的限制。一般設計時都是規定在一個大概範圍內。本著不影響鏡頭的調試和成本不高的原則。

直径的大小要严格限制。这是由于在扫描仪设计时，先确定了CHASSIS的几何尺寸。

溝槽位置的制定是以方便調試為原則

AvisonLENS機構圖上各尺寸的含義Avison2.性能參數

（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，

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，半畫角越大鏡頭及CCD的周邊光量與中央光量差值越大。

周邊光量產生的主要原因是光線通過中央及兩側時所經過的距離不同。

若中央輝度為100%，兩側的輝度為半畫角余弦值的四次方。

Avison

（3）MTF

-------ModulationTransferFunction

翻译成中文就是光学调制传递函数

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

它有另外一個名稱叫做ContrastTransferFunction，

也就是：對比度轉換函數。

從名稱來看，我們可以知道MTF有光學對比的概念在裏面。

<1>

﹄对比度﹃是描述图像的边缘区域是否能够有效地区分，是不是黑的很黑而白的很白。

AvisonMTF----

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

也就是(光的最亮度减去光的最暗度)与(光的最亮度加上光的最暗度)的比值，所得出来的结果，就是光的对比度。

C=Avison﹄对比度﹃定義﹄对比度﹃和﹄分辨率﹃息息相关

区别越大，物体的细节越容易分辨，当然分辨率越高。

在物空间，有物的對比度

在像空间，有成像的對比度

Avison

这是因为透镜有像差，成像质量不见得非常好的关系。测试CHART，黑白分明的条纹经过透镜投射出来的成像会比较模糊。

物的對比度（Mo

）

指的就是测试CHART的黑白条纹对比度，

像的對比度（Mi）

指的就是测试CHART经过透镜成像后之黑白条纹对比度。

Avison为什么两者的對比度会有所差异？

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)

：

描述的是光學系統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。如圖所示，由於衍射,像差等影響，光學系統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。瑞利判據認為，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。MTF值隨著黑白線對之空間頻率改變而有所差異四，MTF機台測試功能的簡介

Avison1，一般的光學厰現在所用的MTF機台：九驊，信統機台2，不同的專業性的機台測試的差異一般在5左右3，通過MTF測試機台，可以測試到的相關數據：

〈1，EFL〈2，MTF〈3，相對照度〈4，畸變〈5，色差

〈6，DOF

等MTF机台主画面Avison

Avison五，鏡頭像差（一）[“球差”]

是由于透镜是球面而引起的一种像差。

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。消除或减小球差的方法主要有：（二）色差：

镜头对不同色光产生的聚焦点不一的像差称为色差。

色差分为“纵向色差”和“横向色差”。

当白光射入镜头，由于折射能力的不同，红光、蓝光、绿光的成像位置会落在不同的地方。

Avison（三）畸变像差：

是指透镜成像时，视场的不同区域所形成的影像放大率不同而产生的一种变形，表现为影像扭曲。

畸变分为两种，针形畸变和桶形畸变

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。隨著像點的遠離，物體上對應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離焦，看起來就比原來的圖像大。離軸線越遠，這個現象越嚴重。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从中心点到影像最外围顶点的距离我们称它为A，从中心点到理想方格的顶点的距离为B，畸变的程度计算就是将A减去B除以B，再乘上百分比所得到的结果。针形畸变的计算结果是正的，

桶形畸变所得的结果则是负的。計算方法（四）像场弯曲：

是指平面物体通过镜头成像时，不能在焦平面清晰地结像，而是在一个盘形曲面上清晰结像。Avison

（五）彗形像差：是指透镜光轴外的光线（即斜射光线）在成像时不能在像平面聚焦于一点，而是形成彗星状（梨状）的弥散斑构成影像，因而使影像清晰度下降。

在镜头存在的各种像差中，球面像差和纵向色差是影响整幅画面上影像质量的像差；横向色差、畸变像差、像场弯曲、像散、彗形像差则是影响画面边缘上影像质量的像差。用适当缩小光圈的方法，可以减小球差、像散、场曲和彗差六，反映鏡頭光學設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横坐标为球差/像場彎曲/畸變程度，纵坐标为视场（視場高度），从图表中便可清楚看出不同视场的球差/像場彎曲/畸變坐標表示什麽？600DPI：掃描儀的解像力。5.25u:CCD的PIXEL大小。TT280.5：光學縂長。F5.5：光圈數上圖所描述的是橫向色差在不同視場的情況下的變化Avison色差的變化數值視場紅色表示R-G色差

藍色表示B-G色差

虛綫表示B-R色差〈3〉橫向色差圖〈4〉ThroughFocus圖示Avison七，鏡頭的規格書的解釋Avison1，Avison表示鏡頭是由4個鏡片構成，且材質都是玻璃。2，Workingdistance:也就是物距，物体到镜头的距离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，