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的差別，示例1 - 3顯示了傳感器會發生的情況，以及不同波長和f/#下的傳感器輸出的顯示情況。數據顯示了從理論到實際示例的轉變，包括像差和鏡頭制造誤差。

讀者會注意到，波長越短，在理論上成像系統的性能將越強。近年來，藍色LED已經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佳實踐#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化高分辨率成像器的效用，并能夠為曾經棘手的應用提供解決方案。

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（許多相機公司均使用該傳感器）關聯。圖1a顯示了波長從470nm（藍光）增加到880nm(NIR)后的光斑大小差異。圖1b顯示了圖1a中的鏡頭所創建的每個圖像的像素輸出；請注意，較短的波長所產生的光斑較小。

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，但光圈設置已更改為f/8。在此設置下，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時產生的光斑無法再分割。 這顯示了與更改f/#關聯的物理性后果，即使是在理論上的系統中。

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，顯示了實際鏡頭設計在f/2.8下中心和邊角更為真實的表現。這些圖現已包括鏡頭固有的像差（即使高品質的鏡頭設計中也存在）以及與制造公差相關的問題。像差產生錯位信息并改變光斑形狀，導致不再旋轉對稱的形狀；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: 在包含像差的實際鏡頭中，光斑大小和像素輸出隨波長的變化。

示例4：實際鏡頭性能。查看實際圖像。

圖4是應用圖像，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際性能差異。這些圖像體現了關于MTF、f/#和波長的部分（分別為MTF、f/#和wavelength）中詳述的所有概念。目標是一個多元素星標(#58-835)，允許同時顯示所有視場區域以及所有方向的各種頻率（分辨率）。Choosing the Correct Test Target提供了有關該目標以及其他用于測試系統性能基準的目標的更多詳情。

圖 4: 星標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。

通過細查視場的特寫部分（可在線獲得完整的分辨率圖像）可以發現鏡頭性能的差異。圖4顯示了完整的星標；我們將對兩個不同鏡頭位于目標中間、底部中間以及邊角處的突出顯示區域進行比較。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聯的細節。

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）可再現的分辨率。即使在較低的傳感器分辨率下，某些鏡頭由于設計約束和制造公差的原因，仍然很難清晰再現，這在每個鏡頭的不同對比度上有所體現。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%。