光学畸变、TV畸变及优化

    光学设计软件给出的畸变曲线，我们常称之为光学畸变，对于镜头设计优化而言，比较容易控制，软件自带控制操作数。实际镜头生产检测中，光学畸变确不如TV畸变来的容易测量。

    光学畸变，是实际图像与理论图像的差异来定义的，这个理论的图像就是这里说的不变测量。而TV畸变是针对实际图像的分析。常用的有IRIAA（美国唱片工业协会） TV畸变和SMIA（移动成像架构标准组织） TV畸变，二者只是侧重点略有差异，前者侧重边缘，后者侧重边缘与中间的相对情况，后者等于两倍的ISO TV畸变。

    这里用ZEMAX中常用的SMIA TV畸变来验证帖子的正确性，提供设计思路。SMIA TV畸变（SMIA TV Distortion）是镜头畸变的一种量化标准，由“移动成像架构标准”（Standard Mobile Imaging Architecture, SMIA）组织定义，主要用于移动设备摄像头领域的图像畸变评估。如图就是SMIA TV畸变的示意图：

    在实际测试中，使用棋盘格或网格图卡拍摄，通过软件Imatest自动计算 A1,A2和B，并输出SMIA TV畸变值。可以看出，只需要生产好的镜头拍一个棋盘格图片，即可得到SMIA TV畸变值，不需要利用这个镜头的一些理论参数去计算，TV畸变相对于光学畸变更为直接与准确。下图就是Imatest软件分析SMIA TV畸变图，有需求的，该软件直接百度即可。

    上面就是一些基本背景知识了，那么我们设计的镜头如何去控制这个TV畸变呢？有了上面的知识，其实控制就简单多了。其实利用操作数进行控制就足够了。只需要利用操作数去提取，下图中的A点和B点即可，旋转对称系统就没必要去提取A1和A2了。

    但是需要注意一点，这里的视场，ZEMAX中镜头设计是按照旋转对称系统去设计的，实际上设计出来的像面是一个绿色的圆，但是CMOS又是矩形的，那么为了视场能涵盖住CMOS，那么CMOS大小实际上是绿色圆的内接四边形。这里CMOS按照1：1来计算，中心点到A点的距离是绿色圆的半径，即归一化的视场1，则A点对应的Hx=0.707，Hy=0.707(勾股定理)。B点同理是Hx=0,Hy=0.707。接下来利用操作数计算一个镜头的SMIA TV畸变：

    23面就是像面，第一行对应得到B点的Y坐标；第二行对应得到A点的Y坐标；第三行计算A和B的Y坐标差值；第四行则是差值除以B点Y坐标，得到SMIA TV畸变是-7.948%。

    这里可以到ZEMAX的网格畸变的分析图表中去验证这一点，值得注意的是，这个网格畸变设置，纵横比1：1，前面就是按照这个计算的，也可以按照3：4等任何比例计算。视场宽度需要按照总视场80°的0.707倍输入，即56.5685°。

    可以看出，ZEMAX给出的SMIA TV畸变是-7.9479%，和上面操作数是一致的。那么实际设计的时候，我们只需要按照上面的组合操作数的方案去控制TV畸变即可。

    给出的数据中还有一个最大畸变-16.5647%，这里也给出了对应的组合操作数控制，如下所示(注意和DIMX控制的最大畸变值的差异)：

    当然可以一劳永逸，那就是利用宏语言编个小程序，那样就简单多了，宏程序如下所示：

#SMIA TV DISTORT

#2025/06/25

HX=PVHX()

HY=PVHY()

RAYTRACE 0,HY,0,0,PWAV()

Y_B=RAGY(NSUR())

RAYTRACE HX,HY,0,0,PWAV()

Y_A=RAGY(NSUR())

DIS=(Y_A-Y_B)/(Y_B)

OPTRETURN 0,DIS

转载于静水流深光学

高版本有SMIA操作数

作者QQ及微信：49922779