实验设计

使用一个5472 × 3648分辨率、像元尺寸 2.4 µm × 2.4 µm的面阵相机，和一个50mm焦距镜头，平行光源放置在铜箔下方。设定不同的成像距离拍摄图片。

专业术语声明

• 物距：即铜箔到镜头的距离，也称”成像距离“。
• 整体光斑：是指经过阈值分割等处理后，算法提取出的整个光斑。
• 整体光斑等效直径：计算整体光斑的像素个数后，乘上像元尺寸得到面积，根据圆的面积公式计算的等效直径。简称”等效直径“
• 尺度放大倍率：整体光斑等效直径/孔直径

分析

根据目前调研的知识和实验结果，可以得出一些简要结论：

1. 在固定成像距离、材料施加张力保证绷直的情况下，可以观察到10um、20um针孔的衍射图样。

2. 影响成像有两个重要因素：成像距离和孔直径

3. 成像距离一定的情况下，随着孔径的增大，整体光斑的面积也在增大。但是根据衍射公式，孔越小，形成的艾里斑半径越大。需要注意，算法检测的是整个亮斑大小，而艾里斑只是中间的一部分。所以虽然孔减小会导致艾里斑扩大，但是亮斑整体仍在缩小。

   尝试解释绘图结果：

4. 孔直径和整体光斑等效直径之间的关系，应该是斜率逐渐增大的上升曲线；

5. 随着孔直径的增大，尺度放大倍率越小，说明衍射的影响在减弱。

2. 孔直径一定的情况下，随着成像距离的增加（200mm-700mm，200-400mm是镜头的最佳工作距离），尺度放大倍率会呈现如下变化趋势，尝试解释：

1. 200-300mm：？？？？
2. 300-600mm：随着距离的增加，衍射图样在扩大。
3. 600-700mm：随着距离持续增加，进入镜头的光线不断减少，CMOS的照度减小，即使衍射图样在扩大，但由于灰度的降低导致看起来亮斑变小。

难点

1. 成像系统很难理论建模
2. 将镜头简化为一个光圈和凸透镜，使用Python库proper仿真，但是得到的亮斑大小与实验结果不符合。
3. 成像距离200mm，10um孔的一张真实图片如下，其艾里斑直径应该是16×2.4um=38.4 , 仿真结果不符合。
4. 很难界定艾里斑的大小
5. 衍射图样特征复杂，中心可能是亮的，可能是暗的

相机拍摄到的光斑，到底能看到第几级衍射？可能对于不同的孔径，能看到第几级的答案还是不同的。但是目前的算法是提取整个光斑计算面积，然后一起比较，可能难以观察到规律。

光强也是一个值得考虑的因素。孔径小，光通量肯定小，但是其衍射极大不一定会比大孔形成的衍射光斑暗。而随着距离的增加，进入光圈的光线也会减少，成像灰度值降低。

如何在图像上界定艾里斑范围可能是关键，将艾里斑大小作为因变量，或许可以观察到清晰的规律。