使用对比度优化提升MTF性能

概述

在17.5版本中，OpticStudio加入了对比度优化 (Contrast Optimization) 工具。它可以在指定的空间频率上，对系统的MTF进行稳定和高效的优化。该方法通过降低指定空间频率下，光瞳偏移引起不同光束间的波前差，以使系统的MTF最大化。并且，使用高斯求积法来确定光线的采样以保证计算效率。本文通过几个示例展示了该优化工具的优点。

介绍

对于成像系统来说，成像质量通常使用指定空间频率下的MTF来描述。特别是对于使用数字化探测器的系统，系统成像质量不需要超过一定的空间频率，并且空间频率的中频范围的性能对成像质量的影响更多。

直接对MTF进行优化是比较困难的，并且计算MTF的运算量很高。在设计的早期阶段，系统的MTF往往表现得很差，因此在系统接近最终结构之前，需要使用其他的优化工具。

使用对比度优化工具可以很大程度的解决这些问题。相比计算完整的MTF，对比度优化工具只计算出瞳上指定空间频率的MTF的相位差。这个值可以被用来构建优化中的评价函数，并且与对应的MTF差距很小。 使用对比度优化工具相比直接优化MTF，具有更快的优化速度，优化后的系统性能也更出色。

对比度优化的默认评价函数

OpticStudio的专业版和旗舰版用户可以使用上节中介绍的对比度优化工具建立默认的评价函数对MTF进行优化。在优化向导中，用户可以选择优化函数的评价标准为“对比度 (Contrast)”，并指定空间频率以及设置子午和弧失方向的权重来完成默认评价函数的设置。优化向导使用操作数MECS和MECT来创建的评价函数，这两个操作数一般成对使用。操作数MECS会追踪三条光线：一条没有移位的光线，一条在光瞳中的弧失方向位移为d的光线，以及一条在光瞳中子午方向位移为d的光线。 然后，操作数MECS将计算并返回弧矢方向光线对的光程差 (OPD)。操作数MECT将计算返回子午方向光线对的光程差。

光线可以使用简单的网格或高斯求积发来分布，以使用最少数量的光线对光瞳进行有效地采样。对比度优化会尝试将操作数MECS和MECT返回的波前差优化为零。这将使光瞳中的偏移d所对应的空间频率处的MTF最大化。

这个评价函数比传统的MTF优化函数包含更多的信息。传统的MTF优化函数只包含两个操作数：弧矢方向的MTF值和子午方向的MTF值。当优化改变系统变量的值时，MTF值可以升高也可以降低，但是优化器无法理解这些值升高或降低的原因，或者光瞳中哪部分光线是存在问题的。在对比度优化中，优化器可以获得更多的优化信息。 它可以“看到”光瞳的哪部分光线对MTF的影响最大。

对比度损失图