調(diào)制傳遞函數(shù)—MTF的原理是什么？

    在光學(xué)領(lǐng)域，調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是衡量光學(xué)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。它不僅能夠反映光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，還能指導(dǎo)光學(xué)設(shè)計和優(yōu)化。本文將深入探討調(diào)制傳遞函數(shù)的原理，以及如何通過不同的方法來測試和評估MTF。

    首先，直接先看看真正的調(diào)制傳遞函數(shù)（ModuleTransferFunction，MTF）在光學(xué)上的定義：光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）的絕對值被稱之為調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）；OTF的相位被稱之為相位傳遞函數(shù)PTF。

    因此，理論上要先去計算OTF，才能得到MTF。OTF怎么計算？這個會涉及到傅里葉光學(xué)上的知識，是利用點擴散函數(shù)（PSF）或線擴散函數(shù)（LSF）的傅里葉變換來推導(dǎo)出OTF，包括光學(xué)設(shè)計軟件CODEV 或 Zemax 也是利用軟件追跡光線得到PSF再進行Fourier變換將空間域轉(zhuǎn)換為頻率域從而得到MTF。示意圖如下：

    以上是真正的MTF，大家就想問，要測MTF，先得測OTF，要測OTF又得先得到PSF或者LSF。對于純?nèi)斯ぞ铙w來說，可以通過標定的十字線經(jīng)過人工晶狀體后再由若干個圖像傳感器（CCD）來進行十字線的采集，這個其實就是在模擬線擴散函數(shù)LSF了，因此測試得來的MTF就最直接反映真正光學(xué)上的MTF。那么對于眼睛整體來說，只能基于圖像來測試，目前基于圖像的“MTF”測試最常見的就是 “ 線對對比度方法” 和 SFR 空間頻率響應(yīng)方法，知道每種方法大致原理的很快就能理解哪種方法最接近 MTF 的理論定義方法。但是有必要提醒大家的是，SFR方法也需要看采用什么樣的SFR算法，不是隨隨便便用個“SFR” ，這里面還是蠻有講究的。比如現(xiàn)在很多人直接用網(wǎng)上開發(fā)的mat3 或 mat2 版本的算法直接計算來用于測試，這其實是有些問題的，它不能用于指定量化的標準。MTF常見的幾種測試方法： 1. 大家最為熟悉的ISO12233老版本chart，就是看多少條線的那個chart，可以說就是基于此種方式。嚴格來講，這種方法稱為對比度傳遞函數(shù)CTF 更為準確，不應(yīng)該叫做MTF。因為它實際上計算的是對比度，和上述的MTF理論方法是不一致的。但是此種方法的優(yōu)點就是簡單，算法也簡單。但缺點就是只能測試單一頻率下的對比度，對測試環(huán)境要求非常高，比如光源亮度的變化，曝光的變化對結(jié)果有較大的影響，數(shù)據(jù)精度穩(wěn)定性得不到保證。

    2. 西門子星圖，這種方法雖然能通過放射狀不同頻率的線條來模擬得到MTF（針對頻率）。但是呢，缺點也很明顯，每個宮格占用較大區(qū)域的取值范圍，也就是說測試的是某一大片區(qū)域的清晰度情況，對定點測試能力明顯不足；還有個缺點就是沒有方向性。但是圖像的水平方向和垂直方向的清晰度是不一樣的，因為人工晶狀體在設(shè)計時MTF就有切線和矢狀之分，人工晶狀體光學(xué)面的像散問題造成不同方向上的清晰度不一致，此星圖方法不能很好反映此種問題。

    拓普康的KR-1W視覺分析系統(tǒng)用的就是切線及矢狀MTF分析。

    而iTrace則使用的是單一線條表示MTF。

    3.SFR （SpatialFrequencyResponse，空間頻率響應(yīng)）

    這才是我們推薦的方法，可以是制定管控的量化標準，我們強調(diào)一定要原始圖像上，因為雙圖像信號處理器（ImageSensorProcessor，ISP）對其有很大的影響， ISP其實只是提升銳度而非清晰度。管控好原始數(shù)據(jù)，就不會存在問題，因為一致性問題來自于硬件而非算法。SFR 大致原理如下：– 每行對邊界數(shù)據(jù)進行求導(dǎo)累積組合成一個單一的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)就是模擬的線擴散函數(shù)– 對結(jié)合的線擴散函數(shù)數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，即為SFR。

    從以上的各個方法的概述來看，最能模擬光學(xué)上MTF測量儀的方法就是SFR。

   通過上述分析，我們可以得出結(jié)論，調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是光學(xué)系統(tǒng)性能的重要指標，它能夠全面地反映系統(tǒng)的成像質(zhì)量。在實際應(yīng)用中，選擇合適的測試方法至關(guān)重要。SFR方法因其能夠提供量化標準和對原始數(shù)據(jù)的管控，被認為是模擬光學(xué)上MTF的最佳選擇。然而，無論是使用ISO12233標準、西門子星圖還是SFR方法，都需要考慮到測試環(huán)境、設(shè)備精度和算法選擇等因素，以確保測試結(jié)果的準確性和可靠性。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來可能會有更多先進的測試方法出現(xiàn)。