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传感器的相对照明、衰减与光晕
爱特蒙特光学有限公司。

传感器的相对照明、衰减与光晕

成像资源指南4.2章节

为了评估和了解可能与光晕(阻止光线穿过成像镜头的外缘)关联的问题,需要考虑衰减、相对照明、传感器大小以及格式。除了以下概述外,还可以在了解适用于机器视觉应用的相机传感器找到有关传感器和格式的更多信息。

Roll-Off is the Decrease in Relative Illumination
图 1: 衰减是与视场相关的相对照明降低,这并非由光晕导致,而是由辐射定律决定。

将传感器与镜头匹配

经常出现的问题之一就是成像镜头能否支持某些特定的传感器尺寸。如果传感器对镜头设计而言过大,则所生成的图像看起来可能朝向边缘区域不断褪色或品质下降,这一效果是由光晕导致的。随着系统的分辨率要求提高,需要实现两件事中的其中一件:像素需要变小或传感器需要变大。正如有关MTF衍射限制的部分中所详述的,持续降低像素大小会产生关乎光学元件解析真正细节的能力的重大问题。这一问题以及与当前传感器技术关联的信噪比和敏感性问题导致传感器不得不增大尺寸,但如果没有使用适当的镜头,尺寸增大又会导致与光晕和衰减相关的问题。

相对照明

相对照明是表示光晕和衰减在成像镜头中所产生的组合影响的方式,通常以传感器任意点(规范化为具有最大照明的视场内位置)的照明百分比形式提供。光晕和衰减是相对照明的两个单独组分。图2显示了相对照明示例。镜头性能曲线提供了关于如何读取此曲线的更多详情。

图2中的曲线表明在最低光圈设置(f/1.4 蓝线)下,此镜头的相对照明为2/3"传感器边角处的图像中心照明度的57%。在相同条件下,镜头在½"传感器边角处的相对照明为72%。随着传感器变小,相对照明会提高。另请注意,相对照明会随f/#增加而提高,直至镜头中不再出现光晕,此时,所有较高的f/#设置都具有相同的照明分布。增大f/#通常不会大幅提高像圈大小,因为即使缩小f/#,针对特定传感器大小设计的镜头也无法在较大传感器上获得出色的性能。

缩小光圈后,仍然会发生衰减,因为这与光线角度(而非穿过镜头的光线数)有关。许多镜头都会具有视场中间最高的照明分布,并且会在靠近边缘时保持平稳或降低到某个更低的百分比。在极少数情况下,像圈内的相对照明会略微提高,但这与瞳孔压缩相关,本文中不会包含该内容。

Relative Illumination Curve
图 2: 在x轴上显示相关图像传感器格式的相对照明曲线。

镜头内的光晕 

光晕是由于被单个镜头元件或机械挡块阻止而没有穿过整个镜头系统进入传感器的光线导致的结果。这一光线截波可能是有意或无意的,在某些情况下不可避免。光晕最常出现在低f/#、短焦距镜头,或需要在较低的成本下实现高分辨率的镜头中。

图3显示了相同的16mm镜头在不同f/#(f/1.8和f/4)下可能出现的截波。请注意图3a中用红圈标出的光线截波,这些光线无法穿过镜头中的所有光学元件。另一方面,图3b显示了没有光晕的示例。图3a中的光晕可能具有多种原因,包括光学元件的直径限制,或需要去除光线以阻止杂散光。镜头设计中有时会特意包含光晕以提高总体镜头性能或降低成本。


图 3: f/1.8(a)和f/4(b)下的16mm镜头设计。在f/1.8下,光晕出现在光线被镜头边缘截波的位置。

旨在提高性能的光晕 (选择性光晕) 

光晕通常用于最大程度地提高镜头设计在整个像圈内的分辨率。由于将创建图像边缘的光线引导到传感器上的所需位置更加困难,因此在图像边缘再现分辨率较高的物体比在中央位置更难。最终位于错误像素上的光线会降低该位置的图像质量;管理该情况的一种方式是除去这些来自系统的光线。如果不想要的光线未进入传感器,则不会降低图像质量。不过,去除这些被错误引导的光线会降低相对照明。

像素级别光晕的影响:大像素

图4描绘了f/1.4(a)和f/2(b)下,传感器边角中的像素上入射的光线。在图4a中,某些光线会溢出到创建图像的相邻像素上,而且对比度会衰减。提高f/#(图4b)实际上会创建光晕,阻截这些无关的光线。图5描绘了相同光晕在传感器中间的影响。但是,由于具有这些大像素,更改f/#对总体图像质量几乎没有影响。

在制造公差会对光线控制产生不利影响,进而降低图像质量的情况下,也可以特意在镜头中设计渐晕。镜头的公差越宽松,这些衰减效果就会变得越不利,而且收紧公差通常不太实际,因为如此会提高制造成本。通常,必需在降低制造成本和维护图像质量之间保持平衡。在将成本作为主要因素的情况中,必需利用光晕,以尝试在视场内保持分辨率。这种做法会对照明分布产生不利影响。可以通过几种不同方式在镜头中设计光晕:通过特意为各个镜头元素设计清晰的光圈,使它们严重晕化离轴光线,或通过引入机械光圈来阻止有像差的光线,如图8a所示。

像素级别光晕的影响:小像素

在图6和7中,像素已减小为一半大小,这使分辨率提高了4倍。此示例中通过大幅提高f/#来晕化,进而改善整个传感器内的性能,这与第一个示例相反,前者只是稍微改善了图像边角处的成像性能。这些图(4 - 7)均展现出标称设计功能,并未解释制造公差所导致的性能降低。包括公差后,光晕需求更为明显,尤其是在成本作为驱动因素的情况中。


图 4: 在f/1.4(a)和f/2(b)下,传感器边角中的像素上入射的光线。提高f/#可创建光晕,阻截涌入4a中邻近像素的无关光线。

图 5: 在f/1.4(a)和f/2(b)下,图像中间的像素上入射的光线。提高f/#不会对图像质量产生重大影响,因为在每个示例中,所有光线都包含在所需像素中。

图 6: 在f/1.4(a)和f/2(b)下,传感器边角中的像素上入射的光线。提高f/#可创建光晕,阻截涌入邻近像素的无关光线。

图 7: 在f/1.4(a)和f/2(b)下,图像中间的像素上入射的光线。提高f/#可创建光晕,阻止无关光线涌入邻近像素。

不同镜头设计中的光晕示范 

图8和关联的MTF曲线采用标准的12mm镜头设计和相对照明曲线。请注意8a中间(蓝线)和边角(绿线)的光线束大小差异;大小差异体现了大量选择性光晕。光晕会导致图像边缘的照明度比图像中间更低(8b)。这是为了最大程度地降低与材料和制作公差相关的成本,同时以较低的价格保持合理性能。

图9中的镜头(超高分辨率的12mm镜头设计)由于光晕程度较低,场内光线束的大小更加均匀(9a)。这可以转化为整个传感器内更加均匀的相对照明(9b)。本示例中的镜头采用成本更高、公差更高的材料设计,这使它能够在图像中保持高水平的性能,而无需采用光晕来改善其性能。使用这类镜头时需要权衡的是,超高分辨率镜头比标准设计镜头更昂贵。


图 8: 标准12mm镜头光线路径(a),相对照明曲线(b)和MTF曲线(c)。

图 9: 超高分辨率12mm镜头光线路径(a),相对照明曲线(b)和MTF曲线(c)。

照明衰减 

在最简单的形式中,某些无光晕的给定像圈的最大镜头亮度受像方空间内主光线角的余弦的四次方限制。这被称为cos4q衰减。图10显示了图像中间和边角处的主要光线(以红色突出显示)。


图 10: 成像镜头布局,突出显示属于图像中间(蓝线)和边角处(绿线)的光线束的主光线。这些光线定义了用于确定衰减近似值的角度。

在许多应用中,衰减不是问题;但如果主光线角变得非常陡倾,衰减就会非常棘手。在使用大型传感器的应用、线性扫描应用以及广角视场(短焦距)应用中尤为如此。表1显示了衰减如何随角度增加。请注意,对于15°的角,相对照明从中间到边角会降低大约13%,但将角度翻倍后,衰减会提高到相对照明降低约44%。工作距离较短、视场较大的应用中,必需考虑到衰减。这可能会在像方空间中产生较大的主光线角,与传感器大小无关。

更正衰减的方式之一是将镜头设计为像方空间远心。通过这种方式,主要光线的角度差异是0°,这能产生均匀的照明。另一种抵消衰减的方式是在受检测物体上创建不平衡的照明。通过将其他灯光安装在更靠近受检测物体边缘的位置,或在镜头上添加变迹中性密度滤光片,可以缓解衰减。

主光线角的差异从中间到边角的最大相对照明度
98.5%
10° 94.0%
15° 87.1%
30° 56.3%
45° 25.0%
60° 6.3%

表 1: 主光线角与图像边角处相对照明的关系,假设中间位置的相对照明为100%。

衰减和微型镜头 

许多传感器都使用微型镜头来增加使其成为有效像素区域的光线量。与所有其他镜头一样,微型镜头也具有工作效率最高的角谱宽度。随着入射角增大,使其成为有效像素区域的光线量将会减少。大多数镜头设计都试图将像方空间主光线角保持在5至7°以下,以降低这些影响。图11a显示了像素上方的微型镜头。图11b和11c分别显示了光线在正入射和斜入射到微型镜头时的聚焦情况。正入射将显示传感器上的中间像素。在此位置,所有光线都聚焦在有效像素区上。在斜角中,并非所有光线均可达到有效像素区。这会导致低于镜头相对照明曲线上所指定值的相对照明。

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