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(fā)生的差異，示例1-3顯示了在傳感器水平上發(fā)生的情況，以及如何使用不同的波長和f/#s對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行可視化。數(shù)字從理論過渡到現(xiàn)實(shí)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(tǒng)的性能上限越大。近年來，藍(lán)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(shí)，光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化

圖1A和1B顯示了四個(gè)不同的波長被完美成像，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(rèn)為是一個(gè)小像素尺寸，它與許多相機(jī)公司使用的非常流行的500萬像素傳感器有關(guān)。圖1A顯示了從470nm（藍(lán)色）到880nm（NIR）波長時(shí)光斑尺寸的差異。圖1B示出了由圖1A中的鏡頭產(chǎn)生的每個(gè)圖像的像素輸出；注意與較短波長相關(guān)的較小斑點(diǎn)。

圖1：在低f/#時(shí)，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(shè)置已更改為f/8。圖2A顯示了所有的點(diǎn)，無論波長如何，都超過了單個(gè)像素的大小，導(dǎo)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(diǎn)不再能夠被分離。這顯示了改變f/#的一個(gè)影響，即使在理論上完美的系統(tǒng)中。

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(shí)鏡頭中光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化

這個(gè)例子是在f/2.8的真實(shí)鏡頭設(shè)計(jì)的中心和角落更真實(shí)。這些數(shù)字包括甚至在最高質(zhì)量的鏡頭設(shè)計(jì)中固有的像差，以及與制造公差有關(guān)的影響。像差使信息錯(cuò)位并改變所產(chǎn)生的光點(diǎn)的形狀，導(dǎo)致光點(diǎn)不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的；所涉及的像差的總和產(chǎn)生了這種形狀（關(guān)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(diǎn)與圖3A和3B中所示的點(diǎn)相比有很大的不同；圖1是理論演示，而圖3使用的是真實(shí)鏡頭。注意像差如何影響圖3C和3D所示圖像中的光斑形狀。

圖3：包括像差的真實(shí)鏡頭中光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化。

Ex.4：真實(shí)世界的鏡頭性能。實(shí)際圖像。

圖4是一張應(yīng)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(gè)鏡頭的性能差異。這些圖像顯示了f/#、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和波長部分中詳細(xì)介紹的所有概念。該目標(biāo)是一個(gè)多元素星形目標(biāo)，允許在所有方向的公共場點(diǎn)中同時(shí)顯示大范圍的頻率（分辨率）。有關(guān)此目標(biāo)和其他系統(tǒng)性能基準(zhǔn)測試目標(biāo)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)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(gè)鏡頭成像的完整星體目標(biāo)；在兩個(gè)不同鏡頭之間的比較中，目標(biāo)的中心、底部中間和角落的突出顯示區(qū)域是興趣點(diǎn)。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。

and sensor.

圖4：使用焦距、f/#、FOV和傳感器相同的兩個(gè)鏡頭（A和B）對(duì)恒星目標(biāo)進(jìn)行成像。

圖4所示的比較顯示了鏡頭A的優(yōu)越性能。圖像的角顯示出較大的對(duì)比度差異；在鏡頭B的例子中，明顯更難以區(qū)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(guān)聯(lián)的更多細(xì)節(jié)。

圖4中圖像角落的特寫（黃色框）提出了一個(gè)額外的問題，即每個(gè)黑白線對(duì)總共覆蓋大約10個(gè)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(gè)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(xiàn)的分辨率。即使在傳感器分辨率降低的情況下，由于設(shè)計(jì)限制和制造公差，從每個(gè)鏡頭的不同對(duì)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(duì)比度水平為45%，鏡頭B的黃色框中的對(duì)比度水平為7%。