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影响显微成像质量的因素--显微镜镜头
 
影响显微成像质量的因素--显微镜镜头
 

显微镜镜头分不同类型,但即使对于同一类型的镜头,其成像质量也有着很大的差异,这主要是由于材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的,同时也导致不同档次的镜头价格从几百元到几万元的巨大差异。比较著名的如四片三组式天塞镜头、六片四组式双高斯镜头。对于镜头设计及生产厂家,一般用光学传递函数OTF(Optical Transfer Function)来综合评价镜头成像质量,光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息,光学系统在传递被摄景物信息时,被传递之各空间频率的正弦波信号,其调制度和位相在成实际像时的变化,均为空间频率的函数,此函数称为光学传递函数。OTF一般由调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)与位相传递函数PTF(Phase Transfer Function )两部分组成。像差是影响图像质量的重要方面,常见的像差有如下六种:

球差:

由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若原光束不同孔径角的各光线,不能交于主轴上的同一位置,以至在主轴上的理想像平面处,形成一弥散光斑(俗称模糊圈),则此光学系统的成像误差称为球差。

慧差:

由位于主轴外的某一轴外物点,向光学系统发出的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若在理想像平面处不能结成清晰点,而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑,则此光学系统的成像误差称为慧差。

像散:

由位于主轴外的某一轴外物点,向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,不能结成一个清晰像点,而只能结成一弥散光斑,则此光学系统的成像误差称为像散。

场曲:

垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像,若不在一垂直于主轴的像平面内,而在一以主轴为对称的弯曲表面上,即最佳像面为一曲面,则此光学系统的成像误差称为场曲。当调焦至画面中央处的影像清晰时,画面四周的影像模糊;而当调焦至画面四周处的影像清晰时,画面中央处的影像又开始模糊。

色差:

由白色物体向光学系统发出一束白光,经光学系统折射后,各色光不能会聚于一点上,而形成一彩色像斑,称为色差。色差产生的原因是同一光学玻璃对不同波长的光线的折射率不同,短波光折射率大,长波光折射率小。

畸变:

被摄物平面内的主轴外直线,经光学系统成像后变为曲线,则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状,而不影响影像的清晰度。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。

我们在评价镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和景深等几个实用参数判断。

分辨率:

又称鉴别率、解像力,指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力,制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象,即衍射光斑(爱里斑)。分辨率的单位是线对/毫米。

明锐度(Acutance):

也称对比度,是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。

景深(DOF):

在景物空间中,位于调焦物平面前后一定距离内的景物,还能够结成相对清晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离,也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围,称为景深。

最大相对孔径与光圈系数:

相对孔径,是指该镜头的入射光孔直径(用D表示)与焦距(用f表示)之比,即:相对孔径=D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数(aperture scale),又称为f/制光圈系数或光孔号码。一般镜头的相对孔径是可以调节的,其最大相对孔径或光圈系数往往标示在镜头上,如1:1.2或f/1.2 。如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短,则需要尽量选择最大相对孔径较大的镜头。

镜头各参数间的相互影响关系

一个好的镜头,在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现,对各种像差的校正也比较好,但同时其价格也会几倍甚至上百倍的提高。如果我们掌握一些规律和经验,就可以使用同档次的镜头达到更好的效果。

1. 焦距大小的影响情况

焦距越小,景深越大;

焦距越小,畸变越大;

焦距越小,渐晕现象越严重,使像差边缘的照度降低;

2. 光圈大小的影响情况光圈越大,图像亮度越高;

光圈越大,景深越小;

光圈越大,分辨率越高;

3. 场中央与边缘

一般像场中心较边缘分辨率高

一般像场中心较边缘光场照度高

4. 光波长度的影响

在相同的摄像机及镜头参数条件下,照明光源的光波波长越短,得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中,尽量采用短波长的单色光作为照明光源,对提高系统精度有很大的作用。

 
 
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