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從鏡頭到傳感器:收光限制
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從鏡頭到傳感器:收光限制

成像資源指南第4.1部份

From Lens to Sensor: Limitations on Collecting Information

為了更好地理解理論和出廠效能之間可能出現的差別,範例1 - 3顯示了會於傳感器級別發生的情況,以及不同波長和f/#下的傳感器輸出的顯示情況。圖形顯示了從理論範例到實際範例的轉變,包括像差和鏡頭製造誤差。

您會注意到,波長越短,理論上成像系統的效能越強。近年來,增強小像素傳感器效能已極其依賴於藍色LED。請記住EO最佳範例5「顏色很重要」。瞭解鏡頭在不同f/#和波長下的物理功能和限制,有助於使用者優化高分辨率傳感器的效用,並能夠為曾經很棘手的應用提供解決方案。

範例1:(理論)低f/#下 不同波長光斑大小和像素輸出的變化

圖1a和1b展示了四種完美成像的不同波長,不足之處是繞射(繞射極限)在包含3.45μm像素並於f/2.8下的傳感器中央造成了一些模糊。這被認為是較小的像素大小,它與備受歡迎的5百萬像素傳感器關聯,許多相機公司皆採用這款傳感器。圖1a顯示了波長從470nm(藍光)增加到880nm (NIR)後的光斑大小差異。圖1b顯示了圖1a中的鏡頭所產生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。

於低f/#下光斑大小和像素輸出——隨波長的變化
圖 1: 於低f/#下光斑大小和像素輸出——隨波長的變化。

範例2:(理論)高f/#下 不同波長光斑大小和像素輸出的變化

圖2中的圖像與圖1類似,但光圈設定已變更為f/8。在此設定下,圖2a顯示所有不同波長的光斑都超出了單個像素的大小,這會導致能量滲入鄰近的像素。圖2b顯示了於較長的波長下,像素輸出中有明顯的模糊,而且880nm時產生的光斑無法再分離。這說明改變光圈導致出來的物理結果(即使是在理論上完美的系統中)。

於高f/#下光斑大小和像素輸出——隨波長的變化
圖 2: 於高f/#下光斑大小和像素輸出——隨波長的變化。

範例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

本範例中顯示了於f/2.8下真正鏡頭設計的中心和邊角的更真實再現。這些圖現在已包括即使是最高品質的鏡頭中亦固有的像差以及與製造公差相關的問題。像差會令資訊產生錯位並改變所產生之光斑形狀,導致不再為旋轉對稱的形狀;形狀由包含的所有像差總和來決定。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中所顯示的光斑形狀。

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
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。

範例4:實際鏡頭效能。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)覆蓋範圍的鏡頭的實際效能差異。這些圖像展示了關於MTF、f/#和波長的部份(分別為MTFf/#wavelength)中詳述的所有概念。測試板是一個多邊星標測試板(#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(解析度)。有關此目標以及其他用作系統效能基準之目標的更多詳情,請見Choosing the Correct Test Target

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在所有方面的優越性都很明顯,但在圖像邊緣和邊角處最為顯著
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在所有方面的優越性都很明顯,但在圖像邊緣和邊角處最為顯著。

透過檢查視場的特寫部分(線上提供完整的解析度圖像),可以發現鏡頭效能的差異。圖4顯示了完整的星標;我們將對兩個不同鏡頭位於目標中心、底部中間以及邊角處的突出顯示區域進行比較。本範例中使用了3.45μm像素、總解析度為500萬像素的Sony ICX 625單色傳感器以及白光背光照明器。 圖4中顯示的比較情況展示了鏡頭A的出色效能。具體來說,圖像邊角處的對比度差異顯著,很顯然,鏡頭B範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;可以看到與徑向方向傳播的線條關聯的更多細節。

圖4(黃色方框和紅色方框)中圖像和邊角處的特寫還顯示了一個問題,每個黑白線對總共覆蓋了約10個像素。相較於圖像中心的可解析部分,空間解析度(由於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,這低於VGA傳感器(640 x 480像素)可再現的解析度。即使在較低的傳感器解析度下,某些鏡頭由於設計約束和製造公差的原因,仍然很難取得進展,這可透過每個鏡頭的不同對比度級別來展現。例如,鏡頭A在黃色方框中的對比度級別為45%,鏡頭B在紅色方框中的對比度為7%。

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