分辨率和 MTF 测试：四种常见镜头测试方法详解

分辨率和 MTF 测试：四种常见镜头测试方法详解

随着传感器像素的不断缩小和数量的持续增加，镜头制造商面临着前所未有的挑战。为了评估镜头的性能特性，需要选择合适的测试方法。本文将介绍几种常见的镜头分辨率测试方法，包括逆投影、调制转换函数（MTF）测试、斜边MTF测试和相机测试。每种方法都有其独特的优缺点，适用于不同的应用场景。

数十年前，640 X 480 像素是相机传感器的标准规格，但如今 600万以上像素的规格已比比皆是。在传感器只有数百像素的时代，系统中的成像镜头效能通常会超越传感器。时至今日，传感器的像素越来越小，数量则持续增加，因此镜头制造商一方面增加选择，同时也推动镜头设计及制造突破极限。其中必须使用适当的评价方式，量测以上进展成果所提升的效能程度。为了评估镜头效能特性，在选择适当的测试方法前，应选定一组规格目标，因为目前并没有单一测试选项，能够完全判定镜头效能每项因素的特性。许多测试可用於判定镜头效能特性，並排除外部效應。虽然这类测试可评估镜头的最高效能限制，却忽略真实世界的应用因素。因此出现了替代测试方法，在预定的应用环境中判定镜头系统效能特性。

分辨率通常是成像镜头最重要的规格参数；分辨率用于说明镜头可由特征周围环境分辨的最小特征。分辨率是一种函数，代表影像平面每个二维点及每个独特共轭或工作距离的影像对比量，与物体空间对应点空间频率之间的关联。由于像素大小持续缩减，数量持续增加，镜头分辨率也必须跟著提升。

分辨率为连续函数，因此重要的是管理期望并设定合理系统规格，以便在所需的像素数量范围内取样适当区域量测对比率。一般而言，分辨率测试法可让使用者获得其他重要参数的额外资讯，例如畸变及相对照度。镜头分辨率的常见测试包括逆投影、调制转换函数 (MTF) 测试、斜边 MTF 测试及相机测试。每种测试方法都具有不同的优缺点。

逆投影

进行逆投影检查时，高精度测试板的图形会置于影像平面，透过成像镜头投影至特定工作距离，然后朝向相反方向。这种方法可有效测试分辨率，因为光线镜头调变是一種可逆程序。如果忽略放大倍率，从影像到物體的空间，基本上与物體到影像的空间相同。此外，这种方式有效的原因，在于分辨率效能规格已於影像空间值中提供。反向投影常用的測試板為 USAF 1951，其中由多個頻率持續增加的正交向條組成，以螺旋方式盤旋至中央。測試板條在整個視場的分佈方式，可让操作人员对焦镜头，以便在特定视场区域最佳化分辨率，并可一次测试多个视场点。

图 1:显示操作人员执行反向投影测试。标示为 11、9 及 6 的圆形，分别对应为 2/3” 吋、1/1.8”吋及 1/3” 吋传感器的影像圆形。

逆投影是测试分辨率的低成本快速方法，也可测试镜头像散。相較於其他方法，操作人员培训相当简单，设备成本也不贵。不过这项测试有一项重大缺點，就是无法判读对比率的差异程度，因为这种测试方法需要仰赖操作人员的视力。人眼一般能够侦测的最低可分辨对比率约为 20%，但并无法判断具体的对比值。

调制转换函数 (MTF)

成像镜头分辨率效能最完整的表示方式，就是调制转换函数 (MTF) 曲线。此曲线显示镜头在空间频率范围内所能分辨的对比值。因此MTF 曲线可用於直接比较多种镜头的成像能力。测试台可於市面上取得，并可在三維座標系统内有系统地测试镜头 (图 2)。

图 2:以市售 Trioptics 品牌的 MTF 测试站测试成像镜头。

操作人员执行 MTF 测试，传送脉冲讯号通过镜头。此項讯号一般采用光线形式，由黑暗背景的单点光源发出。请仔细留意光源位置及影像位置。接著会利用脉冲回應判定任何空间频率的回應，最高至奈奎斯特（最高、可分辨的取样频率）。

由於测试环境受到非常紧密的控制，量测结果可纯粹说明镜头效能。这代表杂散光或明暗衰落等外部现象，不会列入系统层级效能规格考量，而实际可达成的分辨率，可能低於 MTF 曲线建议的数值。根据定义，MTF 测试机台的计算结果，显示对比率是一维、二维或三维座标系统中的空间频率函数。以空间频率函数表示的对比率，是另一种依据物体大小表示物体分辨程度的方式，是最常使用的分辨率标准。

斜边 MTF

斜边 MTF 可获得与 MTF 测试相同的系统级资讯，但速度更快、配合性更高，使用的设备成本也较低。此外，倾斜边缘 MTF 测试使用高对比率的方格测试板，置於好幾個角度的位置。如果只需要镜头的 MTF 性能，就可由系统层级 MTF 移除其他元件的所有作用，因为 MTF 具有倍增特性。

图 3:显示倾斜边缘 MTF 量测。可同时测试多个量测区域。

取得斜边 MTF 的第一步就是量测 S 形边缘扩散函数及其导数，以取得线展開函数，然後进行筛选及傅立葉转换成为 MTF 曲线。只有在边缘测试板对比率跃迁程度小於奈奎斯特限制四倍以上的情况下，才能使用此程序。如果边缘测试板跃迁 100μm，且分辨率目标为 100 lp/mm（5μm 奈奎斯特取样大小），则只要放大倍率低於 0.0125X（计算），边缘测试板就足夠使用。

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相机测试

相机测试这名词，是用于统称使用相机进行的所有测试。现场使用的大部分系统都纳入相机测试以指定效能。斜边MTF是一项具体的相机测试，但并不是唯一常用的分辨率相机测试。相机测试方法可以调整，利用各种不同技术或设备，适用于任何真实世界应用，以取得系统层级的环境相关分辨率信息。这类测试通常使用客制测试板，可同时在像场及测试环境的正确位置测试效能指标。随着传感器像素更小且数量持续增加，镜头与传感器搭配时的光學和機械需求也要跟著加強。系統整合商及機器視覺使用者，經常誤解影響其視覺系統效能的各項效應。因此重要的是瞭解各種測試方法提供的資訊，以及各種方法的優缺點。

表 1:列舉一般常見鏡頭性能測試方法的優點與缺點。