Through Focus 离焦曲线是什么？
Through Focus 离焦曲线是指在镜头焦平面附近，通过改变焦点位置（离焦量）而测量得到的MTF（调制传递函数）随离焦变化的曲线 。简单来说，就是在不同的前后离焦位置上，评估相机成像清晰度（对比度）如何变化，从而找到最佳对焦点以及焦深范围 。通过在一个特定的空间频率下扫描多个焦平面位置，可以得到一系列 MTF 对离焦量的数据点，并绘制出曲线，曲线峰值对应成像最佳焦点 。例如，正印科技的广角长焦摄像头多功能测试仪 等专业MTF测试系统会测量特定频率下MTF随焦点位置变化的曲线，曲线峰值表示最佳成像平面 。通常，对于每个场点（像高）和不同方向（切趾/T和径向/S），都可以得到各自的离焦曲线，用于分析像差（例如像散会使切趾和径向两个曲线峰值分离） 。
为什么需要测量离焦曲线？
测量 Through Focus 离焦曲线有多方面的意义：首先，它可以确定镜头的最佳对焦位置以及焦深（Depth of Focus/Field）。焦深指在成像质量满足要求前提下，实际像平面可以偏离最佳焦点的范围 。通过曲线可以观察，当镜头离开最佳焦点时MTF如何下降，并据此定义允许的离焦公差。例如，一般工业镜头可能要求在某一空间频率下MTF>0.3时的焦深≥0.02 mm 。离焦曲线下降到特定对比度（如20%）所对应的离焦量就代表了焦深范围 。因此，这一曲线直接反映了镜头对失焦的敏感度：曲线越陡峭，表示对焦误差越敏感；曲线越平缓，表示容许的离焦范围越大。工程师可以据此评估镜头在制造和使用中对装配公差和温度漂移的容忍度，并优化设计。其次，离焦曲线还能揭示光学系统的像差。例如，球差、像散、场曲等像差都会使曲线形状出现特征变化，可通过分析曲线判断这些像差对成像的影响 。比如，若曲线在离焦两侧不对称，可能暗示存在球差；再如，如果出现两个峰值，可能是镜头存在像散，且两峰值间距反映了切趾/径向焦面分离程度 。最后，在车载长焦相机这类固定焦距镜头的测试中，离焦曲线是评估镜头装调质量和对焦精度的重要依据。通过扫描离焦曲线，可以验证镜头在最佳焦点的MTF是否达到设计指标，并确保镜头在前后一定离焦范围内性能依然合格，从而满足车辆摄像头对清晰度和可靠性的要求。
平行光管在测试中的作用：
平行光管是一种用于模拟远距离目标的光学装置，在实验室有限空间内创造出“无限远”物体的成像条件 。它由一个准直透镜和目标卡片（分辨率板、测试 chart 等）组成，将测试图像通过准直透镜投射为平行光束。
对于车载长焦相机，此类相机通常设计用于成像远处场景（接近无限远对焦），采用平行光管可以在室内实现相当于“无限远处”物体成像的测试条件 。这对于评估镜头在远焦距下的成像性能（尤其是中心和远距离物体清晰度）至关重要。如果没有平行光管，测试长焦镜头往往需要数十米的实景距离或室外环境，不便于实验室精确测量。平行光管不仅提供了模拟无限远的能力，而且通过调整内部目标卡的位置，还可以模拟不同物距。例如，一些可调焦的平行光管系统允许将虚拟测试距离从1米连续调节到无限远 。当将目标卡略微移离准直透镜焦点时，可模拟有限距离的物体（即引入一定“离焦”量）；反之将目标移到准直透镜焦面之外，则可模拟另一侧的离焦情况。这种调节使工程师能够精确控制物方离焦量，方便地采集 Through Focus 曲线数据。在实际测试中，工程师会将车载相机固定在光学平台上，对准平行光管，在不同的离焦设置下拍摄图像，从而测量得到MTF随离焦变化的曲线。
负离焦的意义
物方系统中如何模拟负离焦？ 在定义离焦量时，通常约定以“最佳焦点”为零点，正离焦表示焦平面移向远端（背景方向），负离焦表示焦平面移向近端（前景方向）。换言之，正离焦对应于成像于焦平面之后的物体（背景稍远处模糊），负离焦对应成像于焦平面之前的物体（前景稍近处模糊） 。在物方（目标端）模拟负离焦，可以通过改变平行光管中目标卡的位置来实现。如果相机原本对焦在无限远（目标卡在平行光管焦平面上），那么将目标卡稍微向准直透镜方向移动（即离开焦平面一些），平行光管输出的光线不再严格平行，而是呈现发散状态，相当于来自一段有限距离处的物体成像。这种情况下，被测相机由于仍然固定在“无限远”对焦的位置上，就会出现前景离焦（负离焦）的情况，成像平面相对于最佳焦点前移，图像变得有些模糊。同理，如果将目标卡稍微远离准直透镜焦点（在焦平面之后），则输出光束略微会聚，相当于来自“超远距离”或背景方向的虚拟物体，这对于相机来说等效于正离焦（背景离焦）的状态。通过这种方式，在实验中我们可以方便地在物方引入正、负不同符号的离焦量，模拟实际场景中前景和背景失焦的情形。
通过负离焦反推镜头后焦与传感器偏移：在镜头研发和装配过程中，负离焦测试是校准和评估后焦距（镜头最后一片光学元件到传感器的距离）是否准确的重要手段。如果镜头光学设计要求在无限远对焦时，传感器应处于某一精确位置，但由于装配误差，实际传感器位置可能略前或略后。这种偏差会表现为在标称“零离焦”时并非成像最清晰。通过扫描离焦曲线，我们可以找到MTF曲线的峰值位置相对于零点的偏移量，从而反推出传感器相对于理想后焦面的偏移程度。例如，如果测量发现当物方引入轻微的负离焦（相当于相机需要对更近距离才能清晰）时MTF达到峰值，说明相机实际上的传感器位置偏离镜头设计后焦，有可能略远于最佳位置；反之，若需要正离焦才能达到峰值，则可能传感器装配得过近。工程师可以根据曲线峰值出现的位置（比如在-0.05 mm处）估算传感器需要移动的校正量，并据此调整镜头与感光元件间距或在软件中补偿合焦位置偏差。这种方法在研发中用于验证镜头设计焦距与机械结构是否匹配，在量产中则用于快速筛查对焦不良的模组。需要注意的是，一些高级测试设备甚至可以自动分析曲线确定最佳焦点位置。例如，对于存在像散的镜头，会出现两个MTF曲线峰值（如切向和径向），这时平均最佳焦点可取两个峰值中点位置 作为传感器的理想安装平面，从而兼顾两方向的成像 。
负离焦对镜头 MTF 分析的影响：通过对比曲线在正、负离焦方向的形状，工程师能够深入了解镜头的成像特性和像差影响。理想无像差的镜头，其MTF随离焦的下降通常是对称的；而实际镜头由于存在高阶像差，曲线往往表现出不对称性。例如，球差会导致焦前（负离焦）和焦后（正离焦）的成像质量不同：对于欠矫正的球差，大多出现“前焦模糊更多、后焦模糊稍少”的现象，即在相同离焦量下，背景方向的MTF高于前景方向 。这对应于球差欠矫情形下常见的“焦外成像”特点：远处背景的模糊圆斑边缘较为平滑（MTF曲线在正离焦侧较平坦），而近处前景的模糊较为生硬（MTF曲线在负离焦侧下降更快） 。相反，如果球差是过矫的，则可能出现前景模糊较缓和的情况。通过观察离焦曲线两侧MTF值的差异，能够判断镜头的球差校正状态。此外，** longitudinal 放大率效应 也会造成曲线非对称——当焦点在前景方向时，由于成像放大率增大，离焦对像质影响更剧烈；而在背景方向，放大率减小，图像模糊扩散得相对缓慢 。这就是许多定焦镜头常出现“后景深大于前景深”的原因：曲线在正离焦（背景）一侧往往下降稍缓，允许的离焦范围更大 。工程师在分析MTF离焦曲线时，会综合考虑这些因素：曲线是否对称、哪一侧下降更快，以及峰值高度和宽度。像散则表现为不同方向MTF峰值位置分离，如前所述，需要观察两个偏振方向曲线；场曲和像面倾斜**则可通过不同视场位置的离焦曲线峰值的分布来判断——如果不同像高处最佳焦点位置不一致，则存在场曲；若同一像高不同边缘区域峰值离焦不同，可能存在传感器倾斜。这些分析对研发工程师改进光学设计、完善装配工艺非常有帮助。
总结来说，负离焦测试不仅是获取镜头容差余量（焦深）的手段，也是一种诊断工具：通过对比正负离焦段的MTF表现，可以洞察镜头在前景和背景成像上的差异，以及由此反映出的像差特性。特别是对车载摄像头而言，这种分析有助于优化其在各种距离下的成像品质，确保既能聚焦远处路标，也有一定余量保证近距物体或装配偏差时画质不至于急剧变差。
应用案例
研发阶段的应用：在车载摄像头的研发过程中，工程师常用 Through Focus 离焦曲线测试方法来指导光学设计优化和机械结构调整。举例来说，在镜头样机试制时，通过平行光管模拟无限远目标，拍摄一系列不同离焦量的MTF测试图像，绘制离焦曲线，可验证设计性能是否达到预期。 一方面，可以确认镜头在理论最佳后焦位置时是否确实成像最佳；如果发现实际最佳焦点偏离零离焦，则需调查是设计计算误差还是装配公差所致，并在后续迭代中修正。另一方面，通过曲线形状，研发人员可以评估像差对成像的影响是否符合预期，例如球差校正是否到位（曲线是否在两侧对称），像散是否在容许范围（双峰间距大小）等 。在镜头设计定型后，研发人员还会设定制造公差：比如根据曲线的陡峭程度，规定传感器前后允许偏差值，确保即使有微小装配误差，MTF仍在可接受范围。 上述焦深标准（如MTF>0.3保持0.02 mm焦深）即是这样制定的依据 。此外，在对焦机构（若有）研发中，离焦曲线也可用于评估自动调焦的容差和驱动精度要求。总的来说，Through Focus 测试在研发阶段提供了丰富的信息，帮助工程师定量了解镜头的对焦性能和像差水平，为实现最佳成像质量提供依据。
量产测试中的应用：在大批量生产中，每颗车载摄像头模组都需要经过严格的成像质量检验。Through Focus 离焦曲线测试在量产中主要用于对焦质量控制和装配良率提升。生产线上的MTF测试仪（如 Trioptics ImageMaster 系列 ）通常配备平行光管和高精度移动平台，能够高速地对每个模组执行焦点扫描，找到最佳焦点并测量MTF。在主动式对焦校准中，设备会自动调整镜头与传感器距离，使离焦曲线的峰值MTF达到最大，然后将镜头固定（胶合）在该位置，确保每个模组都处于最佳焦点 。随后，还会采集离焦曲线周边若干点的数据，用于判定焦深是否符合规格要求。例如，系统可能在最佳焦点附近±一定微米处各采集一次MTF，检查在这些轻微离焦下MTF下降是否在容许范围内，从而快速评估模组的景深表现。负离焦在量产测试中特别有用：一方面，可以通过稍微前移焦点来模拟传感器前置或镜头后焦偏长的情形，验证这种极限情况下图像是否依然清晰；另一方面，对于每个模组，记录其最佳焦点所对应的离焦偏移量也是质量数据之一。如果发现某批次模组的一致性偏差（例如多数都需-0.01mm离焦才能清晰），工程师可以追溯装配工艺进行调整。在质检过程中，离焦曲线法还能帮助剔除不良品：比如，有些模组由于元件偏心，离焦曲线会出现双峰或不对称严重，这暗示成像质量隐患，应判定为不合格。相较于仅在单一焦点测MTF，离焦曲线测试提供了更全面的质量判据。虽然量产中不会对每个模组绘制完整曲线（那样数据量和时间成本过高），但通常会选择关键点进行测试：如最佳焦点及前后各一点（负离焦/正离焦）MTF，对比它们的差异。通过这种简化的“三点法”检查，也能近似评估曲线形状是否正常。如果中心最佳MTF不足或者离焦一点下降过快，则该模组可能存在对焦或像差问题。从实践经验看，引入适当的离焦测试有助于提高车载摄像头的一致性，确保每台摄像头即使在使用中产生轻微失焦（由于震动、温度等因素）时，成像也不会严重退化，满足汽车安全应用的严苛要求。
测试流程及数据分析
测试流程：利用平行光管进行 Through Focus 曲线测试一般按照以下步骤进行：
1. 设备搭建与校准：将待测车载相机模组固定在高精度移动平台上，对准平行光管的输出口。先在近似最佳焦距处粗调相机位置，使图像大致清晰。确保光轴对准，图像中心居中于传感器。校准过程中可使用激光对中器或通过观察成像靶标居中来完成。
2. 选择测试靶标：在平行光管的目标端放置分辨率测试卡或标准靶标（例如ISO 12233 eSFR分辨率卡、Siemens星或十字线等）。通常选择高对比度的图形，以便精确计算MTF。确保靶标图案尺寸适合长焦相机视场，并有足够高的空间频率细节来测试所需MTF。
3. 设置测量参数：选定感兴趣的空间频率或MTF评价指标。例如，可选择在中心视场测量50 lp/mm处的MTF值，或者测量MTF50（50%对比度对应的空间频率）随离焦的变化。测量时通常固定光圈（若镜头有可变光圈则设定在工作光圈），以排除景深受光圈影响的变量。
4. 采集 Through Focus 图像序列：从略微前焦开始（负离焦端），以小步进移动相机（或移动平行光管目标卡）沿光轴方向。每移动一个离焦步长，就采集一幅图像。步长根据需要的精度和焦深范围选择，例如每步5或10微米。如果需要覆盖对称的正负离焦，可从前景一直扫描到背景方向相同步长。对于只需分析一侧离焦的情况，也可只采集负离焦或正离焦一侧。整个过程中保持相机其它设置恒定（如曝光、增益），以保证图像亮度一致。
5. 图像MTF计算：将采集的每张图像输入MTF分析软件（例如Imatest、 正印科技的ISO 12233算法或定制的SFR计算程序），计算出所关心位置的MTF值。通常针对每张图像，会计算中心区域的MTF，以及可能的边缘视场MTF，以全面评估。记录每幅图像对应的离焦距离和MTF结果。
6. 绘制离焦曲线：以离焦量为横轴、MTF为纵轴，将所得数据点绘制成曲线。如果测量了多个频率或多个视场，也可以绘制多条曲线进行比较（不同颜色或线型表示）。曲线应能清晰显示MTF在焦前和焦后如何变化及峰值位置。
数据分析：得到离焦曲线后，工程师需要从中提炼出关于镜头性能和装配的结论：
• 最佳焦点和峰值MTF：首先确定曲线的最高点所在位置，即最佳成像焦点。如果峰值恰好在零离焦位置，说明镜头对焦准确。若峰值偏向负离焦侧，表明传感器需要向镜头方向移动一定量；偏向正离焦则相反。这一偏差量可以和公差预算进行比较，看是否在允许范围内。例如允许±10µm的装配误差，而测得偏差为5µm，则算合格；否则需调整。 峰值MTF数值则反映镜头在该空间频率下的最高成像能力，应对照设计指标或规范要求（如在某频率MTF需≥0.5）。如果峰值偏低，可能是光学设计达不到要求或实际成像受到杂散光/像差影响，需要进一步调查。
• 焦深（Depth of Focus）：评估曲线在峰值附近的平台宽度。常用方法是找到曲线上MTF下降到某一阈值（例如峰值的80%或绝对值0.2）时对应的前后离焦量范围 。这个范围即为焦深。例如曲线在±0.03 mm离焦处降至0.3的MTF，则焦深约为0.06 mm（总宽度）。将此与产品需求比对（比如要求焦深≥0.05 mm），以判断镜头景深性能是否达标 。如果焦深过窄，表示镜头对对焦极其敏感，在实际使用中稍有偏离就会严重模糊，这对车载应用是不利的，需要在设计上折中（如收缩光圈或引入轻微球差扩展景深）。
• 曲线对称性与像差：仔细比较曲线在最佳焦点两侧的下降趋势。如果发现一侧陡另一侧缓，可能如前述由球差导致 。通过与光学设计仿真曲线对比，可以确认球差校正状态。例如，若实测曲线焦后侧比焦前侧高且宽，说明存在欠矫球差，与设计是否一致；若差异过大，可能装配中镜片位置偏移引入了额外球差。对于存在显著非对称的情况，可以在报告中注明，因为这可能影响不同物距下成像的一致性。相反，如果曲线相当对称且尖锐，表明镜头成像接近理想衍射极限，像差校正良好。
• 多曲线分析：如果同时测量了不同视场（像高）或不同方向的MTF曲线，也应综合考虑。例如中心与边缘的最佳焦点是否一致——若边缘需要不同离焦才能达到最佳，说明存在场曲，需要在组装时综合折中焦点位置或者提高容差。又如切向和径向曲线峰值是否重合——若分开，则量化像散大小，可通过旋转镜头或重新装配镜片来改善。现代MTF测试系统往往会输出诸如“最佳焦点处MTF”、“像散焦差”等数据 ，方便直接判定这些指标是否在规格内。
• 质量判定：根据以上分析结果，对镜头或模组做出评价。在研发阶段，这些数据用于反馈给设计和工艺，优化产品。在量产阶段，则根据预先制定的标准判定产品是否合格。例如，可制定规则：“峰值MTF低于0.4者不良，最佳焦点偏移超过±15µm者不良，焦深小于X者不良，曲线双峰（像散）超过Y者不良”等。凡是不合格的模组即剔除或返工。合格的则进入下一步组装或出厂。
通过上述流程和分析，工程师可以将复杂的光学成像性能量化为具体的数据指标和曲线特征。这不仅帮助理解镜头成像机理，也为质量控制提供了科学依据。尤其在车载摄像头领域，Through Focus 离焦曲线测试已成为研发和生产测试的标准流程之一，保障了摄像头在各种工作距离和环境下都能提供清晰可靠的图像。
Through Focus 离焦曲线在摄像头温漂测试中的意义
在实际应用中，车载摄像头常常暴露于各种极端温度环境中，如高温的夏季或寒冷的冬季。温度变化会导致摄像头内部光学元件和机械结构发生微小的物理变化，进而影响成像质量。这些变化可能包括镜头材料的热膨胀或收缩，导致焦距变化，以及传感器与镜头之间的相对位置偏移。
通过在不同温度条件下测量摄像头的 Through Focus 离焦曲线，工程师可以评估温度变化对焦点位置和成像性能的影响。例如，在高温环境下，镜头可能会因热膨胀导致焦点后移，表现为最佳焦点位置在离焦曲线上的偏移。这种偏移可以通过分析曲线的峰值位置变化来定量评估。
此外，温度变化还可能引发像差的变化，如球差或像散的增加，这会导致离焦曲线形状的变化。通过比较不同温度下的离焦曲线形状，工程师可以识别并量化这些像差的变化，从而指导镜头设计和材料选择，以提高摄像头在不同温度下的成像稳定性。
正印科技提供的摄像头温漂测试系统，能够在 -50°C 至 150°C 的温度范围内，对摄像头进行精确的成像质量测试，量化清晰度等关键成像指标随温度变化的情况。这种测试系统的应用，使得摄像头制造商能够评估和改进其产品在极端条件下的性能，确保摄像头在各种恶劣环境下都能保持清晰、稳定的成像效果。
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