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[求助] [已解决]Zemax设计中关于点列图与MTF冲突的问题

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  • TA的每日心情
    难过
    2024-11-23 20:25
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    [LV.8]以坛为家I

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    小白

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    发表于 2022-2-26 18:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
    @海绵宝宝 您好,请教个问题:在设计配合人眼光学系统(如AR/VR)的时候发现了个问题;如图系统,入瞳即光阑,我现在按照入瞳5毫米设计的,各视场点列图在5um以内,MTF表现良好也都大于0.4;然后我发现我减小光阑孔径从5mm变到4mm变到2mm,点列图很合理的逐渐变的更小了,但MTF逐渐差了,这就很疑惑了,这么说5mm入瞳设计的光学系统用到3mm入瞳的人眼上,难道清晰度还会变差?理论上孔径小了,人眼不感觉更清楚吗?而且点列图和MTF表现不一致呀。

    后来我用几个投影镜头试验了下,减小第一个镜片的口径,也是同样的现象,点列图变小但MTF也略变差;
    十分疑惑,求助解答,感谢!
    最佳答案
    2022-2-28 08:52
    我觉得楼上说的很有道理。衍射极限可以看做是像差校正的理想状态,MTF比较高意味着这个系统像质是接近理想状态的,当代表理想状态的衍射MTF下降时,系统的MTF也随之下降是正常的。另外还有两个不太成熟的想法,只是简单做了下验证:
    1、色差的影响。
    RMS和MTF都与波长权重的设置有关,MTF高只是在特定的权重下表现比较良好而言,如果更换权重,并不能保证MTF的良好表现,这就意味着其实像差并没有想象中那么好,像质不好的波段只是因为权重低,被掩盖了,被平均了。
    当F#增大的时候,各个波段只剩下中小孔径的像质而没有边缘孔径的像质了,表面上看应该像质更好了,其实不然。因为大多数时候,如果使用RMS优化,像质的校正是发生在孔径边缘接近孔径中部的位置,小孔径的像质是没有特别校正的(使用MTF优化则优先保证中小孔径),毕竟小孔径像质本身不差。观察zemax的光线像差图,就可以很清晰地看到这一点(不同波长的曲线相交的位置大部分不位于小孔径)。这部分被校正了像差的光束的能量,虽不在孔径中心,但加以一定的权重之后,是可以为形成致密的RMS核心加分的,这也是MTF的基础,当这部分光束被F#遮拦,RMS的核心就不再那么致密了,MTF随之下降。
    2、优化时边缘孔径和中心孔径像质的折中。
    在小F#的设定下,优化其实是需要保证整个孔径像质的一个均衡,所谓均衡,我的理解是孔径中心像质牺牲一些,补偿孔径边缘像质,达到一个平衡。孔径中心像质的牺牲一个比较常见的情况是离焦,也就是在光线像差图上看到曲线在原点的倾斜。当F#增加,孔径边缘的光束被遮拦,那么孔径中心或者说小孔径处的像质可以不再做折中,通过优化,使离焦量减小,那么MTF可以更加完美,前提是要做一个优化的动作。
    综上,将波段改为单波长,查看此时的MTF以及衍射极限,再增大F#,然后优化,再查看此时的MTF和衍射极限,应该可以看到后者比前者更接近衍射极限了。



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  • TA的每日心情
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    小白

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    发表于 2022-2-26 18:34 | 显示全部楼层
    系统F数大了,mtf的截止频率就低了,看起来mtf变差了。
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  • TA的每日心情
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    2023-8-21 10:07
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    小白

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    发表于 2022-2-27 09:09 | 显示全部楼层
    是的,F=f'/D,你减少入瞳直径,F数会变大,MTF的衍射极限会下降,但是理论上讲各视场MTF曲线会更加的逼近衍射极限,你可以在MTF曲线图中设置显示衍射极限观察一下。
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  • TA的每日心情
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    2023-8-7 00:25
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    [LV.7]常住居民III

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    发表于 2022-2-27 09:44 | 显示全部楼层
    从本质上说星点是点扩散函数,传递函数是线扩散函数,当系统参数一定时,二者变化是同步相关的。当入瞳直径或光阑变小,即F值变大时MTF里衍射极限的函数变低,系统的传递函数变高;星点里艾里斑半径变大,RMS变小,基本是同步变化的。   
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  • TA的每日心情
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    2024-11-23 20:25
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     楼主| 发表于 2022-2-28 08:31 | 显示全部楼层
    维他橙子茶 发表于 2022-2-27 09:09
    是的,F=f'/D,你减少入瞳直径,F数会变大,MTF的衍射极限会下降,但是理论上讲各视场MTF曲线会更加的逼近衍 ...

    打开衍射极限看了一下MTF图,确实是这样,各视场更逼近衍射极限了,但整体MTF变低了;那我想知道在实际做出来后,我现在以5mm入瞳的设计,人眼3-4mm的入瞳人眼实际感受清晰度会变差吗?还是说这种不会影响实际体验?
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  • TA的每日心情
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     楼主| 发表于 2022-2-28 08:34 | 显示全部楼层
    @Ds12345679  @周刘  各位大神也帮忙解答一下吧
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  • TA的每日心情
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    2023-12-16 18:22
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    发表于 2022-2-28 08:52 | 显示全部楼层    本楼为最佳答案   
    我觉得楼上说的很有道理。衍射极限可以看做是像差校正的理想状态,MTF比较高意味着这个系统像质是接近理想状态的,当代表理想状态的衍射MTF下降时,系统的MTF也随之下降是正常的。另外还有两个不太成熟的想法,只是简单做了下验证:
    1、色差的影响。
    RMS和MTF都与波长权重的设置有关,MTF高只是在特定的权重下表现比较良好而言,如果更换权重,并不能保证MTF的良好表现,这就意味着其实像差并没有想象中那么好,像质不好的波段只是因为权重低,被掩盖了,被平均了。
    当F#增大的时候,各个波段只剩下中小孔径的像质而没有边缘孔径的像质了,表面上看应该像质更好了,其实不然。因为大多数时候,如果使用RMS优化,像质的校正是发生在孔径边缘接近孔径中部的位置,小孔径的像质是没有特别校正的(使用MTF优化则优先保证中小孔径),毕竟小孔径像质本身不差。观察zemax的光线像差图,就可以很清晰地看到这一点(不同波长的曲线相交的位置大部分不位于小孔径)。这部分被校正了像差的光束的能量,虽不在孔径中心,但加以一定的权重之后,是可以为形成致密的RMS核心加分的,这也是MTF的基础,当这部分光束被F#遮拦,RMS的核心就不再那么致密了,MTF随之下降。
    2、优化时边缘孔径和中心孔径像质的折中。
    在小F#的设定下,优化其实是需要保证整个孔径像质的一个均衡,所谓均衡,我的理解是孔径中心像质牺牲一些,补偿孔径边缘像质,达到一个平衡。孔径中心像质的牺牲一个比较常见的情况是离焦,也就是在光线像差图上看到曲线在原点的倾斜。当F#增加,孔径边缘的光束被遮拦,那么孔径中心或者说小孔径处的像质可以不再做折中,通过优化,使离焦量减小,那么MTF可以更加完美,前提是要做一个优化的动作。
    综上,将波段改为单波长,查看此时的MTF以及衍射极限,再增大F#,然后优化,再查看此时的MTF和衍射极限,应该可以看到后者比前者更接近衍射极限了。



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     楼主| 发表于 2022-2-28 09:29 | 显示全部楼层
    本帖最后由 奥特慢 于 2022-2-28 09:33 编辑
    海绵宝宝 发表于 2022-2-28 08:52
    我觉得楼上说的很有道理。衍射极限可以看做是像差校正的理想状态,MTF比较高意味着这个系统像质是接近理想 ...

    确实是,之前也注意到,我这个系统比我其他的几个设计色差稍微大点,所以我这个减小孔径MTF下降的比其他的更严重点;
    由于其他原因我设计的入瞳比正常值大了,那么像这样的设计,我以5mm入瞳的设计,人眼3-4mm的入瞳人眼实际感受清晰度会像模拟的这样变差吗?
    实际应用就不行了吗?




    另:我还有个帖子关于像差矫正理论分析的问题请大佬也给解答一下吧


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  • TA的每日心情
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    2024-8-14 14:27
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    发表于 2022-2-28 09:36 | 显示全部楼层
    我从傅里叶光学的角度解读就是:系统F变大=孔径变小,通过此孔径的高频信息变少,像的细节不足,就会呈现出模糊的状态。本质上光阑就是一个低通滤波器
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  • TA的每日心情
    开心
    2023-8-21 10:07
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    发表于 2022-2-28 09:39 | 显示全部楼层
    奥特慢 发表于 2022-2-28 08:31
    打开衍射极限看了一下MTF图,确实是这样,各视场更逼近衍射极限了,但整体MTF变低了;那我想知道在实际做 ...

    一般来说,MTF大于0.1就不会影响人眼的感受了,但是设计的时候要求MTF要大于0.3才行,因为装配,加工都可能导致MTF下降
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