從鏡頭到傳感器: 信息采集限制

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顯示了傳感器會發(fā)生的情況，以及不同波長和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。

讀者會注意到，波長越短，在理論上成像系統(tǒng)的性能將越強(qiáng)。近年來，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的變化(理論)

圖1a和1b展示了四種成像的不同波長，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)建的每個圖像的像素輸出；請注意，較短的波長所產(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的變化。

示例2：在高f/#下，光斑大小和像素輸出隨波長的變化(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（無論波長如何）都超出了單個像素的大小，這會導(dǎo)致能量涌入鄰近的像素。圖2b顯示了在較長的波長下，像素輸出中有明顯的模糊，而且880nm時(shí)產(chǎn)生的光斑無法再分割。 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)的問題。像差產(chǎn)生錯位信息并改變光斑形狀，導(dǎo)致不再旋轉(zhuǎn)對稱的形狀；形狀由包含的所有像差的總和確定。請注意，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，顯示了兩個具有相同焦距(16mm)、f/#(2.8)和視場（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/#和波長的部分（分別為MTF、f/#和wavelength）中詳述的所有概念。目標(biāo)是一個多元素星標(biāo)(#58-835)，允許同時(shí)顯示所有視場區(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)是由兩個具有相同焦距、f/#、視場和傳感器的鏡頭（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。

通過細(xì)查視場的特寫部分（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)；我們將對兩個不同鏡頭位于目標(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。具體來說，圖像邊角處的對比度差異顯著，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）顯示了一個額外問題，每組黑白線對一共都覆蓋了大約10個像素。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像素）從近中心處的500萬像素(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)，這在每個鏡頭的不同對比度上有所體現(xiàn)。例如，鏡頭A在黃色方框中的對比度為45%，鏡頭B在紅色方框中的對比度為7%。