传感器中相对照度、漂移和暗角的相关性

为了评估和理解与暗角(成像镜头外缘阻挡入射光线产生的现象)、漂移、相对照度、传感器尺寸或格式这些需要被考虑的有关的问题。除了以下概述,更多关于传感器和格式的信息可以在Understanding Camera Sensors for Machine Vision Applications中找到。

图①:漂移现象是视场中相对照度降低导致,它不是由暗角引起的,而是辐射定律引起的。

1 | 镜头和传感器的匹配

一个常见的问题:一款成像镜头只能支持特定的传感器尺寸。如果传感器对于镜头设计来说太大,那么生成的图像可能会在边缘出现衰减的现象;这种效果是由渐晕(暗角)引起的。随着成像系统分辨率需求的提高,一到两种情况可能出现:像素需要变小,或者传感器需要变大。正如关于MTF和衍射极限的章节中详细介绍的那样,像素尺寸持续减小会对光学系统分辨率真实细节的能力产生重大的影响。这种情况下,再加上当前传感器相关的信噪比和灵敏度问题,导致传感器不得不扩大尺寸;这种扩大导致了与暗角和漂移相关的问题出现,除非使用适当的镜头。

2 | 相对照度

相对照度是在成像镜头中展现暗角和漂移综合效果的一种方法,通常以传感器上任一点的照度百分比表示,即任意一点的照度相对于视场中最大照度的比值。暗角和漂移是相对照度的两个独立的组成部分。RI(相对照度)的一个例子如下图所示:更多关于如何读取这条曲线的细节可以在镜头性能曲线中找到。

图②显示x轴上相关图像传感器格式的相对照度曲线

如上图的曲线显示,在最低孔径设置(f/1.4-蓝线),这个镜头的RI(相对照度)值在基于2/3″传感器时,角落相对图像中心亮度比值为57%。在同样的条件下,1/2″传感器时,相对照度为72%。当传感器变小时,相对照度就会提高。还要注意,RI随着f/#的增大而增大,直到镜头中没有更多的暗角,即:无论怎样提高f/#(f/ D=F,D即通光孔径,F为光圈,f为焦距)的设置,都会有相同的照度水平。增加f/ #通常不会增加图像圆大小,在为特殊尺寸的传感器设计镜头时,在更大尺寸的传感器上即使加大f/ #也不一定能表现良好。漂移现象一直存在直到在镜头处停止,因为这与入射光线的角度有关,与通过透镜的光线数量无关。许多镜头都会有一个照度示意图,就是镜头中间部分是最亮的,在接近边缘时要么是平坦的,要么是下降到某个较低的百分比。有一些罕见的情况下,RI在图像圆上略有增加,但这与瞳孔压缩有关,本文将不涉及。

3 | 镜头内的暗角(渐晕)

暗角是光学不能通过整个系统到达传感器的结果,这是由于被单个镜头元件的边缘或机械设计阻挡。光线裁剪可以是有意的,也可以是无意的,在某些情况下是不可避免的。暗角最常见于较低 f/ #s 或短焦镜头中,或需要以较低成本获得较高分辨率的镜头。

图③展示了同一个16mm镜头在不同 f/ #s (f/ 1.8和 f/ 4) 下可能出现的剪裁。注意图3a中的光线裁切,用红色圆圈表示;这些光学不能通过镜头中的所有光学元件。另一方面,图3b演示了一个没有暗角的示例。图3a中的暗角可能有几个原因:包括光学器件直径的限制,或需要消除部分光线以阻挡杂散光。在镜头设计中有时会有意加入渐晕,以提高整体镜头的性能或降低成本。

图③:16 mm镜头f/ 1.8(A)和f/ 4(B);在f/ 1.8光圈下的暗角发生在光学被镜头边缘夹住的地方

4 | 暗角提升性能(选择性暗角)

暗角通常用于最大化展现镜头设计在成像画面的分辨率。由于将本来被阻隔在镜头边缘的射线引导到传感器上的理想位置更加困难,因此高分辨率的物体通常相比于中心位置,更难在图像边缘处重建细节。光照信号落在错误的像素位置时,会降低该位置的图像质量;一个办法就是把这些入射光线从系统中清除掉。如果不想要的射线没有到达传感器,它们就不能降低图像质量。然而,移除这些错误定向的光线,会减少相对的光照。

· 暗角在像素级的影响:大像素

图④显示了入射在 f/ 1.4(a)和 f/ 2(b)传感器角落的像素上的光线。在图4a 中,一些光线溢出到相邻的像素上,形成图像并降低对比度。增加 f/ # (图4b)从根本上创造了暗角(由于裁切无关光线出现的现象)。图⑤说明了在传感器中心同样的渐晕效果。然而,对于这些大像素,f/ # 的变化对整体图像质量几乎没有影响。

图④:入射光线在位于 f/ 1.4(a)和 f/ 2(b)的传感器角落的像素上。增加 f/ # 创建暗角(渐晕)会裁切溢出到4a 中邻近像素的外部光线

图⑤:在f/1.4(a)和f/2(b)处入射到图像中心像素上的光线。增加f/#对图像质量没有显著影响,因为每个示例的所有光线都包含在所需像素中

暗角也可以有目的地设计成镜头,从制造公差的影响对光线的控制产生不利影响,造成图像退化。镜片上的公差越松,这些降解效应就越不利,而且由于制造成本的增加,使公差变得紧凑往往是不实际的。通常,必须在降低制造成本和保持图像质量之间取得平衡。在成本是主要因素的情况下,必须使用渐晕来维持整个视场的分辨率,尽管这会对照明轮廓产生不利影响。在镜头中设计渐晕可以通过几种不同的方式来完成: 有目的地设计单个镜头元件的光圈,使它们严重偏离轴线,或者引入机械光圈来阻挡像差光线,如图8a 所示。
· 像素级渐晕效果:小像素

在图6和图7中,像素尺寸已经减少到一半大小,分辨率提高了4倍。在这个例子中,通过大幅度增加 f/ # 的渐晕提高了整个传感器的性能,而第一个例子只是稍微提高了图像角落区域的成像性能。图表(4-7)展示了标称的设计能力,并不从制造公差考虑降低性能的结果。在考虑公差的情况下,对渐晕的需要可以更加明显,特别是在成本是驱动因素的情况下。

图6:f/1.4(a)和f/2(b)处入射到传感器角落像素上的光线。增加f/#将创建渐晕,该渐晕将裁切溢出相邻像素的无关光线

图7:入射到图像中心f/1.4(a)和f/2(b)像素上的光线。增加f/#将创建渐晕,以防止外部光线溢出到附近的像素上

5 | 不同镜头设计的渐晕演示

图⑧采用了标准的12mm 镜头设计布局,以及相对照度和 MTF 曲线。注意光束在中心(蓝线)和角点(绿线)的大小差异; 大小差异显示了大量的选择性渐晕。渐晕导致图像边缘的照度低于中心(8b)。这样做是为了尽量减少与材料和制造公差有关的成本,同时以较低的价格维持一个合理的性能。

图⑨中的镜头,一个超高分辨率12毫米镜头设计,由于较低水平的渐晕,在整个视场(9a)具有大小更均匀的射线束。这意味着整个传感器(9b)上的相对照明更均匀。本例中的镜头是使用更昂贵的材料设计的,公差更严格,这使得它能够在整个图像中保持高水平的性能,而无需引入渐晕来提高其性能。使用这种镜头的代价是超高分辨率镜头比标准设计更贵。

图8: 标准的12mm 镜头光线路径(a) ,相对照度曲线(b)和 MTF 曲线(c)

图9:一个超高分辨率12毫米镜头射线路径(a),相对照度曲线(b)和MTF曲线(c)

6 | 亮度漂移

在其最简单的形式,对于给定的无渐晕图像圆,透镜的最大亮度受到图像空间中主光线角余弦的四次方的限制。这就是所谓的cos4q漂移。图10显示了图像中心和角落的主要光线(以红色突出显示)。

图10:成像镜头布局,突出显示属于图像的中心(蓝线)和角落(绿线)的光线束的主要光线。这些定义了用来近似漂移的角度

在许多应用中,漂移不是问题,但当主光线角变得相当陡峭时,漂移就会成为问题。这尤其适用于大型传感器的使用、线扫描应用和广角视场(短焦距)应用等。表1显示了漂移是如何随角度增加的。注意,对于15的角度,从中心到角落的相对照度减少了13% ,但当角度增加一倍时,从中心到角落的相对照度减少了44%。在工作距离短、视场大的应用中必须考虑漂移。无论传感器大小如何,都可以在图像空间产生较大的主射线角度。

一种矫正漂移的方法是通过设计镜头达到远心成像空间。这样一来,主射线的角度差就是0,这样就产生了均匀的光照。另一种补偿漂移的方法是在被检物体上造成不均匀的照明。通过在被检测物体边缘增加额外的补光灯,或者在镜头上添加一个变迹中性灰度滤镜,可以弱化漂移。

表1:主光线角度和相对照度之间的关系,在一个图像的角落,假设相对照度在中心为100%。

7 | 漂移和微型镜头

在许多传感器上使用微透镜,以增加到达活动像素区域的光量。像所有其他透镜一样,微透镜有一个角度可接受性,在这个角度下它们的工作效率最高。随着入射角的增加,其到达像素活动区域的光量会减少。大多数镜头设计都试图将其图像空间的主光线角度保持在5到7°以下,以减少这些影响。图11a显示了一种微透镜与像素的关系示意图。图11b和11c分别显示了光在正(法线)入射和斜入射到微透镜时是如何聚焦的。正(法线)入射表示传感器上的中心像素。在此位置,所有光线都聚焦到像素的活动区域。在斜入射的方式下,并非所有光线都能到达有效像素区域。这会导致额外的相对照度降低,超过镜头相对照明曲线中指定的值。

8 |  相对照度或暗角的测试

暗角的存在极大了影响了拍照体验,尤其是对于手机行业来说,边缘和中心差距过大的亮度水平,会让用户有糟糕的拍照体验。所以出厂前的摄像头在传感器、模组、甚至在成品阶段都要进行暗角的测试甚至是矫正。可以量化这种现象的测试方法,越来越被更多的摄像头厂商接受。为了较为合理的测试不同摄像头的暗角状况,我们将摄像头划分为两大类:

· 常规摄像头(160°以下)

· 超广角或鱼眼镜头(160°以上)

基于这种分类,我们推荐两种测试方法:

① 我们需要在相对均匀的环境下,采集到图片,然后量化成像图片在角落和中心位置的相对亮度水平。具体测试方式可参见(适用于160°以下的摄像头暗角测试):

② LB2球形光源(适用于160°以上的摄像头暗角测试)

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LB2球形光源
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图像测试分析结果示例图

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