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技術文章

傳感器性能和限制

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 傳感器性能和限制

為了更好地理解理論和制造的鏡頭性能之間可能發生的差異,示例1-3顯示了在傳感器水平上發生的情況,以及如何使用不同的波長和f/#s對傳感器的輸出進行可視化。數字從理論過渡到現實世界的例子,包括像差和鏡頭制造誤差。如在MTF曲線和鏡頭性能中注意到的,波長越短,理論上成像系統的性能上限越大。近年來,藍色LED已成為提高小型像素傳感器性能的可靠選擇。

Ex.1:在低f/#(理論值)時,光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化

圖1A和1B顯示了四個不同的波長被wan美成像,除了在包含3.45µm像素和f/2.8的傳感器中心由衍射引起的模糊(見艾里斑和衍射極限)。這被認為是一個小像素尺寸,它與許多相機公司使用的非常流行的500萬像素傳感器有關。圖1A顯示了從470nm(藍色)到880nm(NIR)波長時光斑尺寸的差異。圖1B示出了由圖1A中的鏡頭產生的每個圖像的像素輸出;注意與較短波長相關的較小斑點。

Variations in spot sizes and pixel outputs with wavelength at low f/#. 

圖1:在低f/#時,光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化。

Ex.2:在高f/#(理論)下,光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化

圖2中的圖像與圖1類似,但光圈設置已更改為f/8。圖2A顯示了所有的點,無論波長如何,都超過了單個像素的大小,導致能量溢出到相鄰像素中。圖2B示出了在較長波長處的像素輸出中的明顯模糊,其中在880nm處的點不再能夠被分離。這顯示了改變f/#的一個影響,即使在理論上wan美的系統中。

FVariation in spot sizes and pixel outputs with wavelength at high f/#. 

圖2:光斑尺寸和像素輸出隨高f/#波長的變化。

Ex.3:包括像差的真實鏡頭中光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化

這個例子是在f/2.8的真實鏡頭設計的中心和角落更真實。這些數字包括甚至在最高質量的鏡頭設計中固有的像差,以及與制造公差有關的影響。像差使信息錯位并改變所產生的光點的形狀,導致光點不是旋轉對稱的;所涉及的像差的總和產生了這種形狀(關于像差的更多信息可以在像差中找到。注意,像差在圖像的角落比中心更明顯。在圖1A和1B中所示的點與圖3A和3B中所示的點相比有很大的不同;圖1是理論演示,而圖3使用的是真實鏡頭。注意像差如何影響圖3C和3D所示圖像中的光斑形狀。

Variation in spot sizes and pixel outputs with wavelength in real lenses that include aberrations. 

圖3:包括像差的真實鏡頭中光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化。

Ex.4:真實世界的鏡頭性能。實際圖像。

圖4是一張應用圖,顯示了具有相同焦距(16mm)、f/#(f/2.8)和視場(FOV)(100mm,水平)的兩個鏡頭的性能差異。這些圖像顯示了f/#、調制傳遞函數(MTF)和波長部分中詳細介紹的所有概念。該目標是一個多元素星形目標,允許在所有方向的公共場點中同時顯示大范圍的頻率(分辨率)。有關此目標和其他系統性能基準測試目標的更多詳細信息,請參見分辨率和MTF測試。通過檢查FOV的特寫部分,可以看到性能上的差異。圖4顯示了由兩個鏡頭成像的完整星體目標;在兩個不同鏡頭之間的比較中,目標的中心、底部中間和角落的突出顯示區域是興趣點。本例中使用了3.45µm像素、總分辨率為5MP的Sony ICX625單色傳感器和白光背光照明器。

A star target is imaged with two lenses (A and B) with the same focal length, f/#, FOV, and sensor. 

and sensor.

圖4:使用焦距、f/#、FOV和傳感器相同的兩個鏡頭(A和B)對恒星目標進行成像。

圖4所示的比較顯示了鏡頭A的*性能。圖像的角顯示出較大的對比度差異;在鏡頭B的例子中,明顯更難以區分黑色和白色。此外,不同像差(主要是散光)的方向性是顯著的;可以看到與在徑向方向上傳播的線相關聯的更多細節。

圖4中圖像角落的特寫(黃色框)提出了一個額外的問題,即每個黑白線對總共覆蓋大約10個像素。與圖像中心的可分辨部分相比,角落的空間分辨率(由于模糊的圓覆蓋了多個像素)從中心附近的5MP(2448×2050)降低到角落中的大約500×400像素,這低于VGA傳感器(640×480像素)可以再現的分辨率。即使在傳感器分辨率降低的情況下,由于設計限制和制造公差,從每個鏡頭的不同對比度可以看出,一些鏡頭仍然存在問題。鏡頭A的黃色框中的對比度水平為45%,鏡頭B的黃色框中的對比度水平為7%。

 


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