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技術(shù)文章

從鏡頭到傳感器: 信息采集限制

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為了更好地理解理論和出廠性能之間可能出現(xiàn)的差別,示例1 - 3顯示了傳感器會(huì)發(fā)生的情況,以及不同波長(zhǎng)和f/#下的傳感器輸出的顯示情況。數(shù)據(jù)顯示了從理論到實(shí)際示例的轉(zhuǎn)變,包括像差和鏡頭制造誤差。

讀者會(huì)注意到,波長(zhǎng)越短,在理論上成像系統(tǒng)的性能將越強(qiáng)。近年來(lái),藍(lán)色LED已經(jīng)成為提高小像素傳感器性能的可靠工具。請(qǐng)記住愛特蒙特光學(xué)佳實(shí)踐#5“顏色很重要”。了解鏡頭在不同f/#和波長(zhǎng)下的物理功能和限制有助于用戶優(yōu)化高分辨率成像器的效用,并能夠?yàn)樵?jīng)棘手的應(yīng)用提供解決方案。

 

示例1: 在低f/#下,光斑大小和像素輸出隨波長(zhǎng)的變化(理論)

 

圖1a和1b展示了四種成像的不同波長(zhǎng),不足之處在于衍射(衍射限制)造成了一些模糊。它們是在f/2.8下,包含3.45μm像素的傳感器中央成像的圖案。這被認(rèn)為是小像素尺寸,它與受到熱捧的5百萬(wàn)像素傳感器(許多相機(jī)公司均使用該傳感器)關(guān)聯(lián)。圖1a顯示了波長(zhǎng)從470nm(藍(lán)光)增加到880nm(NIR)后的光斑大小差異。圖1b顯示了圖1a中的鏡頭所創(chuàng)建的每個(gè)圖像的像素輸出;請(qǐng)注意,較短的波長(zhǎng)所產(chǎn)生的光斑較小。

圖 1: 在低f/#下,光斑大小和像素輸出隨波長(zhǎng)的變化。

 

示例2:在高f/#下,光斑大小和像素輸出隨波長(zhǎng)的變化(理論)

圖2中的圖像與圖1類似,但光圈設(shè)置已更改為f/8。在此設(shè)置下,圖2a表明所有光斑(無(wú)論波長(zhǎng)如何)都超出了單個(gè)像素的大小,這會(huì)導(dǎo)致能量涌入鄰近的像素。圖2b顯示了在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)下,像素輸出中有明顯的模糊,而且880nm時(shí)產(chǎn)生的光斑無(wú)法再分割。 這顯示了與更改f/#關(guān)聯(lián)的物理性后果,即使是在理論上的系統(tǒng)中。

圖 2: 在高f/#下,光斑大小和像素輸出隨波長(zhǎng)的變化。

 

示例3:在包含像差的實(shí)際鏡頭中,光斑大小和像素輸出隨波長(zhǎng)的變化

在本示例中,顯示了實(shí)際鏡頭設(shè)計(jì)在f/2.8下中心和邊角更為真實(shí)的表現(xiàn)。這些圖現(xiàn)已包括鏡頭固有的像差(即使高品質(zhì)的鏡頭設(shè)計(jì)中也存在)以及與制造公差相關(guān)的問(wèn)題。像差產(chǎn)生錯(cuò)位信息并改變光斑形狀,導(dǎo)致不再旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀;形狀由包含的所有像差的總和確定。請(qǐng)注意,圖像邊角處的像差往往比中心處更明顯。 圖1a和1b中顯示的光斑與圖3a和3b中顯示的光斑有很大的不同;圖1是理論演示,圖3則使用真實(shí)鏡頭。注意像差如何影響圖3c以及3d. e中所顯示的光斑形狀。

圖 3: 在包含像差的實(shí)際鏡頭中,光斑大小和像素輸出隨波長(zhǎng)的變化。

 

示例4:實(shí)際鏡頭性能。查看實(shí)際圖像。

圖4是應(yīng)用圖像,顯示了兩個(gè)具有相同焦距(16mm)、f/#(2.8)和視場(chǎng)(水平100mm)覆蓋范圍的鏡頭的實(shí)際性能差異。這些圖像體現(xiàn)了關(guān)于MTF、f/#和波長(zhǎng)的部分(分別為MTF、f/#和wavelength)中詳述的所有概念。目標(biāo)是一個(gè)多元素星標(biāo)(#58-835),允許同時(shí)顯示所有視場(chǎng)區(qū)域以及所有方向的各種頻率(分辨率)。Choosing the Correct Test Target提供了有關(guān)該目標(biāo)以及其他用于測(cè)試系統(tǒng)性能基準(zhǔn)的目標(biāo)的更多詳情。

圖 4: 星標(biāo)是由兩個(gè)具有相同焦距、f/#、視場(chǎng)和傳感器的鏡頭(A和B)成像的。鏡頭A在所有區(qū)域的成像性能都十分出色,但在圖像邊緣和角落處為顯著。

 

通過(guò)細(xì)查視場(chǎng)的特寫部分(可在線獲得完整的分辨率圖像)可以發(fā)現(xiàn)鏡頭性能的差異。圖4顯示了完整的星標(biāo);我們將對(duì)兩個(gè)不同鏡頭位于目標(biāo)中間、底部中間以及邊角處的突出顯示區(qū)域進(jìn)行比較。本示例中使用了Sony ICX 625單色傳感器(3.45μm像素,總分辨率為500萬(wàn)像素)和白光背光照明器。圖4中顯示的比較情況體現(xiàn)了鏡頭A的出色性能。具體來(lái)說(shuō),圖像邊角處的對(duì)比度差異顯著,很顯然,鏡頭B示例中更難以區(qū)分黑色和白色。此外,不同像差(主要是像散性)的方向性突出;可以看到更多與徑向方向傳播的線條關(guān)聯(lián)的細(xì)節(jié)。

圖4中的圖像的邊角處特寫(黃色方框和紅色方框)顯示了一個(gè)額外問(wèn)題,每組黑白線對(duì)一共都覆蓋了大約10個(gè)像素。相較于圖像中心的可解析部分,邊角處的空間分辨率(由于模糊的像圈覆蓋了多個(gè)像素)從近中心處的500萬(wàn)像素(2448 x 2050)有效降低到了邊角處的約500 x 400像素,這低于VGA傳感器(640 x 480像素)可再現(xiàn)的分辨率。即使在較低的傳感器分辨率下,某些鏡頭由于設(shè)計(jì)約束和制造公差的原因,仍然很難清晰再現(xiàn),這在每個(gè)鏡頭的不同對(duì)比度上有所體現(xiàn)。例如,鏡頭A在黃色方框中的對(duì)比度為45%,鏡頭B在紅色方框中的對(duì)比度為7%。

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