光学镜头基础知识及测试课件

Camera,主要内容,光学镜头基础知识 CCD&CMOS性能对比 相机成像质量主要评测参数 测试卡 图像分析软件 实验方法 干涉衍射三原色散射几种现象,Camera block diagram:,1.Lens system镜头 2.Motor (control the position of Lens)控制驱动系统 3. Sensor: CMOS or CCD type图像传感器 4. DSP: Digital Signal Processing数字信号处理,Camera lens system,相机的镜头类似于人眼的晶状体。没有晶状体，人眼看不到任何物体，没有镜头，相机无法输出清晰的图像。成像视觉中，镜头作用：将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头质量直接影响相机的整体性能。 Lens are cameras eyes, They preprocess the light which will reach the camera sensor and make a clear image on the sensor. The system usually includes several lens components aims to make a better image.,镜头基本结构,镜头,透镜,光阑,正透镜,负透镜,孔径光阑,视场光阑,消杂光光阑,普通镜头都有光圈调节环，调节环转动时带动镜头内的黑色叶片以光轴为中心伸缩运动，为可变孔径光阑,特性（色差、色散等）相反，配合使用，矫正像差及各类失真。变焦镜头既要保证焦距在较大范围内可调，又要保证成像在光敏面上，因此由多组正负透镜组成。,决定成像面大小,消除杂光,镜头的分类,焦距：广角镜头、标准镜头、长焦镜头； 调焦方式：手动调焦、自动调焦；变焦倍数分2、6、10、20倍变焦等； 光圈：手动光圈、自动光圈。,1.镜头光圈,光圈表示：通过开口大小控制曝光量， 焦距与光束直径的比值，也称为F数（光圈系数），越小越好。例如：一只 的镜头，最大光孔直径为25mm时，该镜头的相对孔径为1：2，即 。 定焦镜头的F数已经标准化。目前常用的为：F=1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22,32等。,2、自动光圈控制,（1）成像目标的反射光经光学镜头、可变光圈聚焦在CCD(CMOS)的光敏面上。 （2）CCD(CMOS)相机将光信号转换成相应的电信号，并进行信号处理输出所需的视频信号。 （3）另一路输出信号经放大（Amplifier)、箝位（Clamp)、送入积分器（Integrator)。积分后的结果与参考电平（Reference level)比较，确定光圈改变的方向及大小。 （4）当积分信号低于（高于）标准电平时，驱动电机旋转，带动光圈向增大（减小）通光孔径的方向改变，从而调节光敏面的照度，获得清晰图像。,自动光圈控制,3、应用,外部环境光照度存在较大变化时，采用自动光圈镜头；光照度基本恒定时，采用手动光圈镜头。增加光圈的级数，可以获得更为理想的曝光量。例如：在2.8与4之间增加F数为3.5一档，即前一档的入射光通量是后一档的1.5倍。,变焦镜头,通过镜头镜片之间相互移动，使镜头焦距可在一定范围内连续变化，从而在无需改变镜头的条件下，相机既可以获得目标的全景象，又可获得局部像。变焦范围有6、8、10、12、16、20、50倍等。,组成,变倍组、补偿组、固定组等构成,变焦 镜头,调焦组：通过小范围的轴向移动，实现镜头的聚焦调整。,变倍组：通过轴向移动，实现焦距连续可调。,补偿组：变倍组移动调焦时，成像面随之变化，随补偿组进行 相应的移动，使成像面保持在图像传感器的光敏面上。,后固定组：保证有一定的装座距离。,光学变焦VS数码变焦,光学变焦：通过移动镜头内部镜片来改变镜头焦距的长短。 数字变焦也称数码变焦（Digital Zoom），是通过相机内的处理器，把图片内的每个象素面积增大，从而达到放大目的。如同用图像处理软件把图片的面积改大，只是程序在相机内进行，把原来CCD影像感应器上的一部份像素使用“插值”处理手段做放大,将CCD影像感应器上的像素用插值算法将画面放大到整个画面。 通过数码变焦，拍摄的景物放大了，但它的清晰度会有一定程度的下降 。数码相机的数码变焦一般在6倍左右，摄像机的数码变焦在44倍-600倍左右，实际使用中有40倍就足够了。因为太大的数码变焦会使图像严重受损，有时候甚至因为放大倍数太高，而分不清所拍摄的画面。,变焦镜头VS定焦镜头,对于变焦镜头，倍数越大，所需要的透镜组越多，制造工艺越复杂。我们知道，光线达到透镜表面之后会有一部分光穿过透镜被折射过去，另一部分光被反射回去。由于透镜组增多，被透镜反射的光就越多，经过透镜折射然后到达底片上的有效成像光就越少。并且由于透镜间光线的反复折射互相叠加干涉，也会使成像质量下降。,自动对焦,相机自动对焦是一个复杂的光电一体化的过程，简单说其基本原理是将物体反射的光被传感器CCD接受，通过处理器处理，带动电动对焦装置进行对焦。,自动对焦,由物镜L、分光棱镜P、线阵图像传感器 和 、CCD驱动器、信号处理电路、步时电机及驱动电路构成。两个CCD分别放在焦平面的前部（A点）和后部（B点），与焦平面相距一个小间隔 。分光棱镜使同一视场的光分离，分别被两个CCD接收。当两路CCD信号中的高频成分相等时，表示对焦，不等表示离焦。同时，根据两路CCD高频分量大小，可判断是前离焦或后离焦。,自动对焦系统原理框图,VA=VB,实现了 对焦（Z=0),Z:离焦量 V：高频电压有效值 O：焦平面位置,由于系统噪声 及CCD性能差异， 严格对焦很困难，实际 选择一个阈值 ,当 时,认为 已经对焦。,自动对焦,具备以下三点特性 1.以某种方式自动判断拍摄者所拍摄的主体； 2.以某种方式测量被摄主体与相机感光元件之间的距离； 3.驱动马达将镜头的对焦装置推到与之相应的距离刻度。,自动对焦,“自动对焦”就是由机器根据拍摄现场的光线被摄物体的距离等参数,自动设定快门与焦距以保证照片的最佳效果.手机因体积所限,不可能加上调焦、快门等把手,这就使“自动对焦”功能尤为重要! 自动对焦是将被摄物拍的更加清楚！,镜头的接口,C型和CS型，均是国际标准接口，其旋合长度、制造精度、靠面尺寸及后截距公差均应符合相关要求。C型接口的后截距为17.526mm，CS型接口的后截距为12.526mm。,镜头的性能指标,一、焦距 ：（1）对同同一目标成像时，镜头的焦距越大，所成的像就越大 （2）焦距还直接与镜头的视场有关，短焦距镜头具有较大的视场，长焦距镜头具有较小的视场。 当物体无限远时，关系式为： 。 二、相对孔径： 表示。对相机镜头的分辨率、相面照度构成直接影响。光学镜头的外境筒上，刻有F数或者光圈数，相对孔径的倒数。 分辨率完全有相对孔径决定，正比关系 相面照度与相对孔径的平方成正比,三、视场角：决定图像传感器成像的空间范围，与镜头焦距有关。镜头焦距一定时，视场角越大，目标图像越大。当CCD器件尺寸一定时，焦距越长，视场角越小。按视场角大小，光学镜头分为标准镜头、广角镜头和长焦距镜头。 四、光谱特性：光学镜头对各波段光线的透过率特性。即所拍图像的颜色与成像目标的颜色具有较高的一致性。因此希望各波段透过光学镜头时，除在总强上有一定损失外，其光谱组成不发生改变。 影响因素：膜层的干涉特性、玻璃材料的吸收特性。要求：镜头最高分辨力的光线应与照明波长、CCD器件接收波长相匹配，并使光学镜头对该波长的光线透过率尽可能的提高。,CCD&CMOS,一、成像过程。原理相同，只是读取过程不同：CMOS图像传感器经光电转换后直接产生电流（电压）信号，以类似DRAM的方式读出信号，工作时仅需单一工作电压供电；CCD以电荷包的形式进行存储及转移，其信号的读取需要多路外部驱动脉冲机电源的支持，系统电路复杂。 二、集成性。CMOS图像传感器可将光敏元阵列、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理电路及控制器等集成在一个芯片上，易于实现单芯片的成像系统；由于和CMOS工艺不兼容，CCD难以将时序发生器、驱动电路及信号处理电路等集成在同一芯片上。要有3-5个芯片来实现这些功能，使系统体积重量增大，不利于系统的微型化。 三、噪声。CMOS集成度高，各原件、电路之间距离很近，干扰严重，噪声对图像质量影响大；CCD技术较成熟，PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量好。 四、功耗。CMOS只需一路电源供电(3-5V),功耗仅为CCD的1/10，CCD需要3路以上电源来满足特殊时钟驱动的需要，功耗大。,相机成像质量主要参数,1 SNR 信噪比 Uniformity 像面响应均匀性 2 Distortion 畸变 3 OECF 光电转换函数 4 Resolution 分辨力 5 SFR（MTF) 空间频率响应 6 SQF 主观质量因子,1、 SNR& Uniformity,一、信噪比直接体现了图像传感器的噪声和暗电流水平 。 二、反映数码相机成像系统各个光敏元之间输出信号的差别。它是一项评价相机成像系统的光学成像部分和图像传感器芯片上各个光敏元响应度以及后期信号处理电路的综合技术指标。,2、畸变客观评测,畸变虽然不会影响成像的清晰度，但是影响成像的形状 1分类：广角端桶形畸变、长焦端枕形畸变 2定义：离图像中心的径向距离h'相对于其理想值h的偏差来衡量,畸变测试卡的制作,水平：垂直16:12，线粗为2mm,方格宽度为16mm,3、相机OECF评测,ISO 14524 测试卡,相机OECF评测,等1/3次方亮度间隔,相机OECF评测,OECF：图像输入亮度值的对数与拍摄的图像输出灰度之间的函数关系 光电转换函数OECF是描述数码相机物理信号输入与其相应的输出信号之间的关系，是研究数码相机成像性能的基础。,5、分辨力：ISO 12233 测试卡,分辨力客观评测 HYRes,截取ROI 灰度化 逐行读取灰度值 与阈值作对比,6、SFR基础,把光学系统看成对于空间频率的低通滤波器，用频谱分析的方法对光学系统成像质量作出评价。很自然地在光学系统中引进传递函数的概念，作为评价成像质量的指标。 调制传递函数MTF综合反映了相机的成像性能,SFR基础,光学传递函数由模量MTF和辐角PTF两部分组成。 实际评价像质时，由于成像系统的低频响应对常用的接收器件来说最为重要，而在低频处PTF的往往很小,所以位相传递函数用得很少,目前一般均以MTF来评价光学系统的像质.称为调制传递函数（MTF）的方法.,SFR原理Imatest,较MTF测量方法，SFR对于测量模板的要求 相对不高，且测量数据准确可靠 。 单位：LW/PH,SFR原理,超采样ESF,超采样ESF,差分运算,超采样LSF,1.提高采样频率 2.二维的ESF转化为一维平均ESF,相机像质评价方法,1.单参数评测 2.调制传递函数MTF的传递特性影响成像质量的好坏 3.光学传递曲线之下所包含的面积值大小即SQF值决定了光学系统的整体成像质量的好坏,(SFR)MTF,低频,中低频,高频,几何轮廓形状,成像几何轮廓的陡削,成像的明锐度,空间低频信息传递能力强， 几何轮廓很清晰； 空间低频信息传递能力很弱， 几何轮廓模糊。,低 频,空间高频传递特性好图像几何轮廓陡削 空间高频传递特性差 图像几何轮廓不陡削,高 频,空间中低频传递特性好图像明锐度很好； 空间中低频传递特性差的图像，图像明锐度很低。,中 低 频,7、SQF,调制传递函数的加权积分值 SQF定义为归化到观察者视网膜上的成像系统MTF在1040 cycles/mm范围内的对数空间频率域的积分 :调制传递函数 :人眼的对比敏感度函数,SQF值高 成像 良好 SQF值低 成像 很差,SQF,冲印尺寸越大，图片质量越差 SQF值是按照