MTF 与分辨率

光学系统分辨细微细节的能力，可以从空间维度或频谱维度进行定义。通常我们用百万像素来描述传感器分辨率，这是传感器物理空间采样特性，决定了能捕获的物体细节丰富程度。

而传感器 MTF 表征的是分辨等间距线对的能力，属于频谱维度的评价指标。分辨率会影响 MTF 表现，但硅基感光芯片的其他设计特性同样会对传感器 MTF 造成影响。

下图为 MTF 原理示意图：相机对焦在红色线条区域，相机输出端可看到像素对应的图像电平变化。

当明暗线条排布越密集，空间频率越高，可分辨的细节就越小。

Explanation of the MTF

图 1 MTF 原理示意图

想要分辨更高频率的线对，就需要更高的物理分辨率。MTF 以空间频率为自变量，描述亮线与暗线之间的对比度衰减关系。如需了解 MTF 更详尽的原理，可参考 Edmund Optics 官网专业解析。

MTF 测量方式

MTF 测量分为绝对测量与相对测量两种方式，其中相对 MTF 测量最为常用。该方式借助镜头让相机对焦在不同频率的标准线对靶标上，逐一测量每个频率下明暗线条的对比度，最终拟合得到 MTF 曲线。

这种方法的缺点：测量时必须搭配镜头成像，最终测得的 MTF 是镜头 + 图像传感器耦合后的综合结果，无法分离两者各自贡献。

为此 Adimec 搭建了绝对 MTF 测量装置，可仅测量图像传感器本身的 MTF。绝对测量采用间接测算方式：不再依靠传统线对靶标测对比度与频率，而是采用单条狭缝线光源成像，通过数学算法对信号做变换处理，解算出传感器原生 MTF。

对图像传感器做绝对 MTF 测量具备多重优势：可以精准标定单颗传感器的固有成像性能，实现不同传感器之间公平对标。

很多人误以为 MTF 只由传感器像素分辨率决定，实际并非如此。传感器 MTF 还高度依赖：

且不同波长下的 MTF 表现也不一样。获取传感器指定波长下的精细 MTF 数据，可提前预判光学系统在实际应用中的成像性能。以上所有设计参数带来的性能差异，都能通过绝对 MTF 完整表征。

MTF 不仅是图像传感器性能的核心基准指标，也用于反向定义光学系统所需规格。即便选用高分辨率传感器，也需要匹配同等水准的镜头，才能兼顾最佳成像性能与成本效益。

图像传感器分辨率常用百万像素表述，而镜头分辨率普遍用 lp/mm（线对 / 毫米）作为单位。通过测量传感器原生 MTF，能统一度量单位，更精准地对比图像传感器与光学镜头的频谱分辨率匹配度。

前文提到，绝对 MTF 测量可精准输出传感器固有性能参数。下面以索尼 IMX25X 系列传感器为例，解析 MTF 曲线。

图 2IMX25X 系列绝对 MTF 测量曲线

曲线已做归一化处理：MTF 值 0.1 代表明暗线条间对比度衰减至 10%。

正如前文所述，MTF 并非只由分辨率决定；若仅由分辨率决定，实测红线会与理论虚线完全重合。受厂商光学设计、工艺选型影响，传感器实际 MTF 会偏离理论极限值。

如果你的应用要求高频段拥有更高成像性能，可以选择传感器 MTF 水平之上的高端镜头，但这类镜头成本也会更高。镜头选型时，还需考虑镜头制造公差，同时兼顾色差对镜头与传感器成像的双重影响。

曲线中最后一个关键参数：混叠频率，也叫奈奎斯特频率。超过该频率的靶标线条，传感器将无法与低频信号区分；原因是线条排布密到超出像素分辨极限，产生频谱混叠。

奈奎斯特频率由像素尺寸计算得出。

本例中 IMX25X 像素尺寸 3.45μm × 3.45μm，奈奎斯特频率约为 145 lp/mm。举例：该传感器观测 200 lp/mm 的线对时，会被混淆识别为 95 lp/mm；200 lp/mm 比奈奎斯特频率高出 55 lp/mm，最终会被采样映射为 95 lp/mm。

像素尺寸越小，奈奎斯特频率越高，可分辨的极限空间频率越高。

光学系统设计选型时，需保证设备实际工作频率落在奈奎斯特频率以内。机器视觉应用一般不使用奈奎斯特频率之后的混叠数据。镜头选型时，其 MTF 曲线需适配系统工作频段；例如显示屏检测场景，通常会选择 MTF 截止频率匹配混叠频率的镜头。

MTF 的影响因素远不止分辨率，还包含传感器架构设计、对比度衰减特性等。Adimec 推出无镜头干扰的传感器原生 MTF 测量方案，可为客户提供以往无法获取的底层性能数据，非常适用于光学系统设计以及多型号图像传感器横向对比选型。