镜头如何匹配图像传感器.docx

传感器和镜头的匹配设计

奈奎斯特频率成像

在奈奎斯特频率下成像是吸引人的，该频率在高级镜头选择的等式1中定义。然而，这通常不是一个好主意，因为这意味着正在观察的特征正好落在一个像素上。如果成像系统移动半个像素，则感兴趣的对象将落在两个像素之间，并且将完全模糊。因此，不建议在奈奎斯特频率下成像。假设没有使用子像素插值，通常建议在奈奎斯特频率的一半处成像，因为这将允许感兴趣的特征总是占据至少两个像素。

通常不恰当地做出的另一个假设是，除非镜头在与其一起使用的传感器的奈奎斯特频率下具有相当大（20%）的对比度，否则该镜头不适合与特定相机一起使用。事实并非如此。如前所述，在奈奎斯特极限下成像是不明智的，可能会产生几个问题。需要查看整个系统，以确定镜头是否适合给定的相机传感器，这通常取决于应用。下一节将介绍在奈奎斯特频率或接近奈奎斯特频率时成像系统中发生的情况，以及对整体系统分辨率的影响。

理解相机传感器和成像镜头之间的相互作用是设计和实现机器视觉系统的重要部分。这种关系的优化常常被忽视，它对系统整体分辨率的影响很大。不正确配对的相机/镜头组合可能导致在成像系统上浪费金钱。不幸的是，决定在任何应用中使用哪个镜头和相机并不总是一件容易的事：更多的相机传感器（直接结果是更多的镜头）继续被设计和制造，以利用新的制造能力并提高性能。这些新的传感器为镜头带来了许多需要克服的挑战，并使正确的相机与镜头配对变得不那么明显。

第一个挑战是像素继续变小。虽然较小的像素通常意味着较高的系统级分辨率，但一旦考虑到所使用的光学器件，情况并非总是如此。在一个完美的世界里，系统中没有衍射或光学误差，分辨率将简单地基于像素的大小和被观察物体的大小（见分辨率）。简而言之，当像素尺寸减小时，分辨率增加。当较小的对象可以适合较小的像素并且仍然能够分辨对象之间的间距时，即使该间距减小，也会发生这种增加。这是一个关于相机传感器如何检测物体的过于简化的模型，没有考虑噪声或其他参数。

镜头也有分辨率规格，但基本原理并不像传感器那样容易理解，因为没有像像素那样具体的东西。然而，当通过镜头成像时，有两个因素最终决定特定物体特征在像素上的对比度再现（调制传递函数或MTF）：衍射和像差内容。任何时候光通过光圈都会发生衍射，导致对比度降低（艾里斑和衍射极限中的更多细节）。像差是发生在每个成像镜头中的误差，其根据像差的类型而模糊或错位图像信息，如真实世界性能中所述。对于快镜头（≤f/4），光学像差通常是系统偏离衍射极限所规定的“完美”的原因；在大多数情况下，如公式1所示，镜头在其理论截止频率（ξcutoffξcutoff）下根本不起作用。

将这个等式与相机传感器联系起来，随着像素频率的增加（像素大小下降），对比度下降-每个镜头都会遵循这一趋势。然而，这并不能说明镜头的真实硬件性能。镜头的公差和制造的紧密程度也将对镜头的像差内容产生影响，并且真实世界的性能将不同于标称的设计性能。根据标称数据来估计真实世界镜头的表现可能会有差异，但实验室中的测试可以帮助确定特定镜头和相机传感器是否兼容。

(1)

了解镜头在特定传感器上的表现的一种方法是用美国空军1951年的棒靶测试其分辨率。条形目标比星形目标更适合确定镜头/传感器的兼容性，因为它们的特征与正方形（和矩形）像素排列得更好。以下示例显示了使用相同的高分辨率50mm焦距镜头和相同的照明条件在三个不同的相机传感器上拍摄的测试图像。然后将每个图像与镜头的标称轴上MTF曲线（蓝色曲线）进行比较。在这种情况下仅使用轴上曲线，因为测量对比度的感兴趣区域仅覆盖传感器中心的一小部分。图1A显示了50mm镜头与具有2.2μm像素的1/2.51/2.5ONSemiconductorMT9P031配对时的性能，放大倍率为0.177倍。

图1：（a）2.2μm像素的ONSemiconductorMT9P031、（B）3.45μm像素的SonyIXC655和（C）7.4μm像素的ONSemiconductorKai-4021上的高分辨率50mm镜头的标称镜头性能与实际性能的比较。红线、紫线和深绿线分别表示传感器的奈奎斯特极限。黄线、浅蓝线和浅绿线分别表示传感器奈奎斯特限值的一半。

使用分辨率公式1，传感器的奈奎斯特分辨率（ξsensor）为227.7，这意味着系统在放大倍率为0.177x时理论上可以成像的最小物体为12.4μm（使用分辨率公式1的替代形式）。

(2)

请记住，这些计算没有与之关联的对比度值。图1A的左侧显示了美国空军1951目标上的两个元素的图像；左图显示每个特征两个像素，右图显示每个特征一个像素。在传感器（227）的奈奎斯特频率下，系统以8.8%的对比度对目标成像，该对比度低于可靠成像系统所推荐的20%的最小对比度。注意，通过将特征尺寸增加