傳感器的相對(duì)照明、衰減與光暈

為了評(píng)估和了解可能與光暈（阻止光線穿過(guò)成像鏡頭的外緣）關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，需要考慮衰減、相對(duì)照明、傳感器大小以及格式。除了以下概述外，還可以在了解適用于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的相機(jī)傳感器找到有關(guān)傳感器和格式的更多信息。

圖 1: 衰減是與視場(chǎng)相關(guān)的相對(duì)照明降低，這并非由光暈導(dǎo)致，而是由輻射定律決定。

將傳感器與鏡頭匹配

經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題之一就是成像鏡頭能否支持某些特定的傳感器尺寸。如果傳感器對(duì)鏡頭設(shè)計(jì)而言過(guò)大，則所生成的圖像看起來(lái)可能朝向邊緣區(qū)域不斷褪色或品質(zhì)下降，這一效果是由光暈導(dǎo)致的。隨著系統(tǒng)的分辨率要求提高，需要實(shí)現(xiàn)兩件事中的其中一件：像素需要變小或傳感器需要變大。正如有關(guān)MTF和衍射限制的部分中所詳述的，持續(xù)降低像素大小會(huì)產(chǎn)生關(guān)乎光學(xué)元件解析細(xì)節(jié)的能力的重大問(wèn)題。這一問(wèn)題以及與當(dāng)前傳感器技術(shù)關(guān)聯(lián)的信噪比和敏感性問(wèn)題導(dǎo)致傳感器不得不增大尺寸，但如果沒(méi)有使用適當(dāng)?shù)溺R頭，尺寸增大又會(huì)導(dǎo)致與光暈和衰減相關(guān)的問(wèn)題。

相對(duì)照明

相對(duì)照明是表示光暈和衰減在成像鏡頭中所產(chǎn)生的組合影響的方式，通常以傳感器任意點(diǎn)（規(guī)范化為具有大照明的視場(chǎng)內(nèi)位置）的照明百分比形式提供。光暈和衰減是相對(duì)照明的兩個(gè)單獨(dú)組分。圖2顯示了相對(duì)照明示例。鏡頭性能曲線提供了關(guān)于如何讀取此曲線的更多詳情。

圖2中的曲線表明在低光圈設(shè)置（f/1.4 藍(lán)線）下，此鏡頭的相對(duì)照明為2/3"傳感器邊角處的圖像中心照明度的57%。在相同條件下，鏡頭在½"傳感器邊角處的相對(duì)照明為72%。隨著傳感器變小，相對(duì)照明會(huì)提高。另請(qǐng)注意，相對(duì)照明會(huì)隨f/#增加而提高，直鏡頭中不再出現(xiàn)光暈，此時(shí)，所有較高的f/#設(shè)置都具有相同的照明分布。增大f/#通常不會(huì)大幅提高像圈大小，因?yàn)榧词箍s小f/#，針對(duì)特定傳感器大小設(shè)計(jì)的鏡頭也無(wú)法在較大傳感器上獲得出色的性能。

縮小光圈后，仍然會(huì)發(fā)生衰減，因?yàn)檫@與光線角度（而非穿過(guò)鏡頭的光線數(shù)）有關(guān)。許多鏡頭都會(huì)具有視場(chǎng)中間高的照明分布，并且會(huì)在靠近邊緣時(shí)保持平穩(wěn)或降低到某個(gè)更低的百分比。在極少數(shù)情況下，像圈內(nèi)的相對(duì)照明會(huì)略微提高，但這與瞳孔壓縮相關(guān)，本文中不會(huì)包含該內(nèi)容。

圖 2: 在x軸上顯示相關(guān)圖像傳感器格式的相對(duì)照明曲線。

鏡頭內(nèi)的光暈

光暈是由于被單個(gè)鏡頭元件或機(jī)械擋塊阻止而沒(méi)有穿過(guò)整個(gè)鏡頭系統(tǒng)進(jìn)入傳感器的光線導(dǎo)致的結(jié)果。這一光線截波可能是有意或無(wú)意的，在某些情況下不可避免。光暈常出現(xiàn)在低f/#、短焦距鏡頭，或需要在較低的成本下實(shí)現(xiàn)高分辨率的鏡頭中。

圖3顯示了相同的16mm鏡頭在不同f/#（f/1.8和f/4）下可能出現(xiàn)的截波。請(qǐng)注意圖3a中用紅圈標(biāo)出的光線截波，這些光線無(wú)法穿過(guò)鏡頭中的所有光學(xué)元件。另一方面，圖3b顯示了沒(méi)有光暈的示例。圖3a中的光暈可能具有多種原因，包括光學(xué)元件的直徑限制，或需要去除光線以阻止雜散光。鏡頭設(shè)計(jì)中有時(shí)會(huì)特意包含光暈以提高總體鏡頭性能或降低成本。

圖 3: f/1.8(a)和f/4(b)下的16mm鏡頭設(shè)計(jì)。在f/1.8下，光暈出現(xiàn)在光線被鏡頭邊緣截波的位置。

旨在提高性能的光暈 (選擇性光暈)

光暈通常用于大程度地提高鏡頭設(shè)計(jì)在整個(gè)像圈內(nèi)的分辨率。由于將創(chuàng)建圖像邊緣的光線引導(dǎo)到傳感器上的所需位置更加困難，因此在圖像邊緣再現(xiàn)分辨率較高的物體比在中央位置更難。終位于錯(cuò)誤像素上的光線會(huì)降低該位置的圖像質(zhì)量；管理該情況的一種方式是除去這些來(lái)自系統(tǒng)的光線。如果不想要的光線未進(jìn)入傳感器，則不會(huì)降低圖像質(zhì)量。不過(guò)，去除這些被錯(cuò)誤引導(dǎo)的光線會(huì)降低相對(duì)照明。

像素光暈的影響：大像素

圖4描繪了f/1.4(a)和f/2(b)下，傳感器邊角中的像素上入射的光線。在圖4a中，某些光線會(huì)溢出到創(chuàng)建圖像的相鄰像素上，而且對(duì)比度會(huì)衰減。提高f/#（圖4b）實(shí)際上會(huì)創(chuàng)建光暈，阻截這些無(wú)關(guān)的光線。圖5描繪了相同光暈在傳感器中間的影響。但是，由于具有這些大像素，更改f/#對(duì)總體圖像質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響。

在制造公差會(huì)對(duì)光線控制產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而降低圖像質(zhì)量的情況下，也可以特意在鏡頭中設(shè)計(jì)漸暈。鏡頭的公差越寬松，這些衰減效果就會(huì)變得越不利，而且收緊公差通常不太實(shí)際，因?yàn)槿绱藭?huì)提高制造成本。通常，必需在降低制造成本和維護(hù)圖像質(zhì)量之間保持平衡。在將成本作為主要因素的情況中，必需利用光暈，以嘗試在視場(chǎng)內(nèi)保持分辨率。這種做法會(huì)對(duì)照明分布產(chǎn)生不利影響。可以通過(guò)幾種不同方式在鏡頭中設(shè)計(jì)光暈：通過(guò)特意為各個(gè)鏡頭元素設(shè)計(jì)清晰的光圈，使它們嚴(yán)重暈化離軸光線，或通過(guò)引入機(jī)械光圈來(lái)阻止有像差的光線，如圖8a所示。

像素光暈的影響：小像素

在圖6和7中，像素已減小為一半大小，這使分辨率提高了4倍。此示例中通過(guò)大幅提高f/#來(lái)暈化，進(jìn)而改善整個(gè)傳感器內(nèi)的性能，這與*個(gè)示例相反，前者只是稍微改善了圖像邊角處的成像性能。這些圖(4 - 7)均展現(xiàn)出標(biāo)稱設(shè)計(jì)功能，并未解釋制造公差所導(dǎo)致的性能降低。包括公差后，光暈需求更為明顯，尤其是在成本作為驅(qū)動(dòng)因素的情況中。

圖 4: 在f/1.4(a)和f/2(b)下，傳感器邊角中的像素上入射的光線。提高f/#可創(chuàng)建光暈，阻截涌入4a中鄰近像素的無(wú)關(guān)光線。

圖 5: 在f/1.4(a)和f/2(b)下，圖像中間的像素上入射的光線。提高f/#不會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，因?yàn)樵诿總€(gè)示例中，所有光線都包含在所需像素中。

圖 6: 在f/1.4(a)和f/2(b)下，傳感器邊角中的像素上入射的光線。提高f/#可創(chuàng)建光暈，阻截涌入鄰近像素的無(wú)關(guān)光線。

圖 7: 在f/1.4(a)和f/2(b)下，圖像中間的像素上入射的光線。提高f/#可創(chuàng)建光暈，阻止無(wú)關(guān)光線涌入鄰近像素。

不同鏡頭設(shè)計(jì)中的光暈示范

圖8和關(guān)聯(lián)的MTF曲線采用標(biāo)準(zhǔn)的12mm鏡頭設(shè)計(jì)和相對(duì)照明曲線。請(qǐng)注意8a中間（藍(lán)線）和邊角（綠線）的光線束大小差異；大小差異體現(xiàn)了大量選擇性光暈。光暈會(huì)導(dǎo)致圖像邊緣的照明度比圖像中間更低(8b)。這是為了大程度地降低與材料和制作公差相關(guān)的成本，同時(shí)以較低的價(jià)格保持合理性能。

圖9中的鏡頭（超高分辨率的12mm鏡頭設(shè)計(jì)）由于光暈程度較低，場(chǎng)內(nèi)光線束的大小更加均勻(9a)。這可以轉(zhuǎn)化為整個(gè)傳感器內(nèi)更加均勻的相對(duì)照明(9b)。本示例中的鏡頭采用成本更高、公差更高的材料設(shè)計(jì)，這使它能夠在圖像中保持高水平的性能，而無(wú)需采用光暈來(lái)改善其性能。使用這類(lèi)鏡頭時(shí)需要權(quán)衡的是，超高分辨率鏡頭比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)鏡頭更昂貴。

圖 8: 標(biāo)準(zhǔn)12mm鏡頭光線路徑(a)，相對(duì)照明曲線(b)和MTF曲線(c)。

圖 9: 超高分辨率12mm鏡頭光線路徑(a)，相對(duì)照明曲線(b)和MTF曲線(c)。

照明衰減

在簡(jiǎn)單的形式中，某些無(wú)光暈的給定像圈的大鏡頭亮度受像方空間內(nèi)主光線角的余弦的四次方限制。這被稱為cos4q衰減。圖10顯示了圖像中間和邊角處的主要光線（以紅色突出顯示）。

圖 10: 成像鏡頭布局，突出顯示屬于圖像中間（藍(lán)線）和邊角處(綠線)的光線束的主光線。這些光線定義了用于確定衰減近似值的角度。

在許多應(yīng)用中，衰減不是問(wèn)題；但如果主光線角變得非常陡傾，衰減就會(huì)非常棘手。在使用大型傳感器的應(yīng)用、線性掃描應(yīng)用以及廣角視場(chǎng)（短焦距）應(yīng)用中尤為如此。表1顯示了衰減如何隨角度增加。請(qǐng)注意，對(duì)于15°的角，相對(duì)照明從中間到邊角會(huì)降低大約13%，但將角度翻倍后，衰減會(huì)提高到相對(duì)照明降低約44%。工作距離較短、視場(chǎng)較大的應(yīng)用中，必需考慮到衰減。這可能會(huì)在像方空間中產(chǎn)生較大的主光線角，與傳感器大小無(wú)關(guān)。

更正衰減的方式之一是將鏡頭設(shè)計(jì)為像方空間遠(yuǎn)心。通過(guò)這種方式，主要光線的角度差異是0°，這能產(chǎn)生均勻的照明。另一種抵消衰減的方式是在受檢測(cè)物體上創(chuàng)建不平衡的照明。通過(guò)將其他燈光安裝在更靠近受檢測(cè)物體邊緣的位置，或在鏡頭上添加變跡中性密度濾光片，可以緩解衰減。

衰減和微型鏡頭

許多傳感器都使用微型鏡頭來(lái)增加使其成為有效像素區(qū)域的光線量。與所有其他鏡頭一樣，微型鏡頭也具有工作效率高的角譜寬度。隨著入射角增大，使其成為有效像素區(qū)域的光線量將會(huì)減少。大多數(shù)鏡頭設(shè)計(jì)都試圖將像方空間主光線角保持在57°以下，以降低這些影響。圖11a顯示了像素上方的微型鏡頭。圖11b和11c分別顯示了光線在正入射和斜入射到微型鏡頭時(shí)的聚焦情況。正入射將顯示傳感器上的中間像素。在此位置，所有光線都聚焦在有效像素區(qū)上。在斜角中，并非所有光線均可達(dá)到有效像素區(qū)。這會(huì)導(dǎo)致低于鏡頭相對(duì)照明曲線上所值的相對(duì)照明。

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