要設(shè)計(jì)一個(gè)性能近乎的鏡頭通常需要在單一放大倍率、單一工作距離下針對單一傳感器進(jìn)行優(yōu)化。然而，盡管這種鏡頭設(shè)計(jì)能大程度地減少像差影響，并達(dá)到高性能，但需要構(gòu)建單獨(dú)的定制鏡頭以滿足每個(gè)應(yīng)用的需求。

為每個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)單獨(dú)的定制鏡頭既不經(jīng)濟(jì)，也不實(shí)際。相反的，大多數(shù)鏡頭都旨在提供大覆蓋范圍，這樣既經(jīng)濟(jì)，又能夠滿足許多應(yīng)用的需求。這種適應(yīng)性也有缺點(diǎn)，重要的是，它不可能同時(shí)在所有視場、工作距離和傳感器中達(dá)到大性能。這些鏡頭可以被認(rèn)為是“雜而不精”，但卻是當(dāng)今市場上常見的鏡頭。不過，隨著分辨率繼續(xù)增加，可能需要探索其他選項(xiàng)以大程度地提高系統(tǒng)性能。

像差的影響

為了使系統(tǒng)性能大化，了解哪些因素會對光學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響是十分必要的。像差，如色差，像散，球面像差，和場曲，必須被盡可能地降低以獲得高質(zhì)量圖像。具體像差將在本節(jié)后進(jìn)行討論。幾乎所有像差都與鏡頭的工作距離和放大倍率（傳感器尺寸與視場的比率）直接相關(guān)，盡管它們未必彼此相關(guān)。當(dāng)工作距離，傳感器尺寸和視場變化的時(shí)候，像差會發(fā)生改變，鏡頭的性能也會改變。例如，雖然為單一視場和工作距離特別設(shè)計(jì)一個(gè)鏡頭可以大程度地減少像差，但是在工作距離或放大倍率方面的微小變化將會引起超高性能水平的急速衰減。這些鏡頭離他們的佳位置越遠(yuǎn)這種衰減就發(fā)生的越快。

為多種應(yīng)用而設(shè)計(jì)的鏡頭，其像差可以在一定范圍的工作距離和放大倍率內(nèi)的達(dá)到均衡。盡管這些鏡頭的性能不會超過被設(shè)計(jì)用于特定的工作距離和放大倍率的鏡頭，但它們可以在更大的限定范圍內(nèi)很好的工作。然而，隨著像素持續(xù)變小，在通用的范圍平衡設(shè)計(jì)中固有的妥協(xié)將更加明顯。

混合方案

在時(shí)間和預(yù)算不允許采用為單一工作距離和放大倍率而優(yōu)化的定制鏡頭設(shè)計(jì)的情況下，鏡頭設(shè)計(jì)發(fā)展出了混合方案?；旌戏桨干婕暗揭粋€(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì)的鏡頭，使得元件或元件組之間的間距可以調(diào)節(jié)，進(jìn)而使得為目標(biāo)放大倍率和工作距離進(jìn)行的設(shè)計(jì)只要稍加改變，性能就可得到提高。例如，為線掃描傳感器創(chuàng)建的鏡頭設(shè)計(jì)可能具有與之關(guān)聯(lián)的特殊放大倍率，如0.33倍（圖1）。相機(jī)具有60mm的線掃描陣列，將產(chǎn)生180mm的視場。

圖1: 為掃描傳感器創(chuàng)建的0.33倍鏡頭設(shè)計(jì)有一段間距。

鏡頭性能可以通過引用其MTF曲線進(jìn)行分析。MTF曲線可以用鏡頭性能曲線以及調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和MTF曲線進(jìn)行描述。圖2顯示了圖1中的鏡頭在0.33X放大倍率時(shí)相關(guān)的MTF曲線。曲線的顯示被限制在100線耦/毫米，反映出擁有5μm像素的12K線掃描傳感器的分辨能力。兩個(gè)像素是其小的取樣區(qū)，用于區(qū)分由鏡頭創(chuàng)建的信息之間的間隔。在這個(gè)例子中，一個(gè)線耦，等于10μm（2個(gè)5μm像素）的總空間，1mm包括100個(gè)10μm，因此100lp/mm是相機(jī)的極限分辨率。

圖2: 0.33倍鏡頭在標(biāo)稱放大倍率下的MTF性能曲線。

在圖3和圖4中，鏡頭被重新聚焦以獲得其他視場，與0.33倍優(yōu)化鏡頭設(shè)計(jì)相關(guān)的MTF曲線如圖所示。當(dāng)放大倍率為0.5倍（120mm視場）和1.0倍（60mm視場）時(shí)，曲線顯示出了更低的性能水平。為了克服這一點(diǎn)，鏡頭元件之間的間距是可以調(diào)節(jié)的，以優(yōu)化其在不同放大倍率時(shí)的性能。圖5所示，對于相同的鏡頭系統(tǒng)，光學(xué)結(jié)構(gòu)被重新優(yōu)化以用于高放大倍率；注意，用紅色標(biāo)記的鏡頭元件之間的間隔是從圖1中改變而來的，以補(bǔ)償FOV/ WD的變化。

圖3: 0.33倍鏡頭在0.5倍放大倍率時(shí)（120mm視場）的MTF性能曲線。

圖4: 0.33倍鏡頭在1.0倍放大倍率時(shí)（60mm視場）的MTF性能曲線。

圖5: 調(diào)整紅色標(biāo)記的鏡頭元件之間的間隔，提高了鏡頭在1倍放大率時(shí)的MTF。請注意更大的間隔。

圖6所示，1.0倍優(yōu)化鏡頭在其設(shè)計(jì)放大率的MTF性能。注意圖6和圖4之間性能上的巨大差距。這兩個(gè)鏡頭都使用了相同的玻璃元素并同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但間距的變化導(dǎo)致了性能上的巨大差異。圖7和圖8分別顯示了的1.0倍優(yōu)化鏡頭設(shè)計(jì)在0.5倍和0.33倍放大倍率時(shí)的MTF曲線。可以再次看出，當(dāng)放大率遠(yuǎn)離標(biāo)稱放大率時(shí)，性能上發(fā)生的快速改變。

圖6: 1.0倍優(yōu)化鏡頭在其標(biāo)稱放大倍率時(shí)的MTF性能曲線。

圖7: 1.0倍優(yōu)化鏡頭在0.5倍放大倍率時(shí)的MTF性能曲線。

圖8: 1.0倍優(yōu)化鏡頭在0.33倍放大倍率時(shí)的MTF性能曲線。

這種混合方案可以更有效地解決許多應(yīng)用的問題，因?yàn)樗峁┝吮仍O(shè)計(jì)用來解決多種應(yīng)用問題的單一鏡頭更好的性能?；旌显O(shè)計(jì)提供多種可實(shí)現(xiàn)的選項(xiàng)，以提高系統(tǒng)的性能。因?yàn)檫@比多個(gè)定制鏡頭更為簡單，比現(xiàn)有的解決方案更有效，并且比*定制更加便宜。

雖然混合方案提高了性能，但是它們還是比標(biāo)準(zhǔn)鏡頭更加昂貴，并且會有其他問題。先，混合方案不可能達(dá)到的定制方案的全部性能，定制的解決方案是為單一工作距離和放大倍率而專門設(shè)計(jì)的。因?yàn)橄袼卦絹碓叫?，采用混合方案的光學(xué)元件要達(dá)到系統(tǒng)要求仍然很困難。其次，混合鏡頭在其特定的放大倍率范圍外將會遭受快速的性能下滑，類似于相當(dāng)狹隘的鏡頭設(shè)計(jì)方案。后，由于混合方案會導(dǎo)致許多不同的鏡頭都需要各自的特殊材料，因此需要額外時(shí)間來構(gòu)建特定的放大倍率，并且可能有需要使用大的，復(fù)雜的安裝和聚焦配件，從而使傳感器/鏡頭系統(tǒng)運(yùn)行符合要求。