从镜头到传感器: 信息采集限制

为了更好地理解理论和出厂性能之间可能出现的差别，示例1 - 3显示了传感器级别会发生的情况，以及不同波长和f/#下的传感器输出的显示情况。数据显示了从理论到实际示例的转变，包括像差和镜头制造误差。

读者会注意到，波长越短，在理论上成像系统的性能将越强。近年来，蓝色LED已经成为提高小像素传感器性能的可靠工具。请记住爱特蒙特光学最佳实践#5“颜色很重要”。了解镜头在不同f/#和波长下的物理功能和限制有助于用户优化高分辨率成像器的效用，并能够为曾经棘手的应用提供解决方案。

示例1: 在低f/#下，光斑大小和像素输出随波长的变化(理论)

图1a和1b展示了四种完美成像的不同波长，不足之处在于衍射（衍射限制）造成了一些模糊。它们是在f/2.8下，包含3.45μm像素的传感器中央成像的图案。这被认为是小像素尺寸，它与受到热捧的5百万像素传感器（许多相机公司均使用该传感器）关联。图1a显示了波长从470nm（蓝光）增加到880nm(NIR)后的光斑大小差异。图1b显示了图1a中的镜头所创建的每个图像的像素输出；请注意，较短的波长所产生的光斑较小。

图 1: 在低f/#下，光斑大小和像素输出随波长的变化。

示例2：在高f/#下，光斑大小和像素输出随波长的变化(理论)

图2中的图像与图1类似，但光圈设置已更改为f/8。在此设置下，图2a表明所有光斑（无论波长如何）都超出了单个像素的大小，这会导致能量涌入邻近的像素。图2b显示了在较长的波长下，像素输出中有明显的模糊，而且880nm时产生的光斑无法再分割。 这显示了与更改f/#关联的物理性后果，即使是在理论上完美的系统中。

图 2: 在高f/#下，光斑大小和像素输出随波长的变化。

示例3：在包含像差的实际镜头中，光斑大小和像素输出随波长的变化

在本示例中，显示了实际镜头设计在f/2.8下中心和边角更为真实的表现。这些图现已包括镜头固有的像差（即使最高品质的镜头设计中也存在）以及与制造公差相关的问题。像差产生错位信息并改变光斑形状，导致不再旋转对称的形状；形状由包含的所有像差的总和确定。请注意，图像边角处的像差往往比中心处更明显。 图1a和1b中显示的光斑与图3a和3b中显示的光斑有很大的不同；图1是理论演示，图3则使用真实镜头。注意像差如何影响图3c以及3d. e中所显示的光斑形状。

图 3: 在包含像差的实际镜头中，光斑大小和像素输出随波长的变化。

示例4：实际镜头性能。查看实际图像。

图4是应用图像，显示了两个具有相同焦距(16mm)、f/#(2.8)和视场（水平100mm）覆盖范围的镜头的实际性能差异。这些图像体现了关于MTF、f/#和波长的部分（分别为MTF、f/#和wavelength）中详述的所有概念。目标是一个多元素星标(#58-835)，允许同时显示所有视场区域以及所有方向的各种频率（分辨率）。Choosing the Correct Test Target提供了有关该目标以及其他用于测试系统性能基准的目标的更多详情。

图 4: 星标是由两个具有相同焦距、f/#、视场和传感器的镜头（A和B）成像的。镜头A在所有区域的成像性能都十分出色，但在图像边缘和角落处最为显著。

通过细查视场的特写部分（可在线获得完整的分辨率图像）可以发现镜头性能的差异。图4显示了完整的星标；我们将对两个不同镜头位于目标中间、底部中间以及边角处的突出显示区域进行比较。本示例中使用了Sony ICX 625单色传感器（3.45μm像素，总分辨率为500万像素）和白光背光照明器。图4中显示的比较情况体现了镜头A的出色性能。具体来说，图像边角处的对比度差异显著，很显然，镜头B示例中更难以区分黑色和白色。此外，不同像差（主要是像散性）的方向性突出；可以看到更多与径向方向传播的线条关联的细节。

图4中的图像的边角处特写（黄色方框和红色方框）显示了一个额外问题，每组黑白线对一共都覆盖了大约10个像素。相较于图像中心的可解析部分，边角处的空间分辨率（由于模糊的像圈覆盖了多个像素）从近中心处的500万像素(2448 x 2050)有效降低到了边角处的约500 x 400像素，这低于VGA传感器（640 x 480像素）可再现的分辨率。即使在较低的传感器分辨率下，某些镜头由于设计约束和制造公差的原因，仍然很难清晰再现，这在每个镜头的不同对比度上有所体现。例如，镜头A在黄色方框中的对比度为45%，镜头B在红色方框中的对比度为7%。