傳感器性能和限制

為了更好地理解理論和制造的鏡頭性能之間可能發生的差異，示例1-3顯示了在傳感器水平上發生的情況，以及如何使用不同的波長和f/#s對傳感器的輸出進行可視化。數字從理論過渡到現實世界的例子，包括像差和鏡頭制造誤差。如在MTF曲線和鏡頭性能中注意到的，波長越短，理論上成像系統的性能上限越大。近年來，藍色LED已成為提高小型像素傳感器性能的可靠選擇。

Ex.1：在低f/#（理論值）時，光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化

圖1A和1B顯示了四個不同的波長被完美成像，除了在包含3.45μm像素和f/2.8的傳感器中心由衍射引起的模糊（見艾里斑和衍射極限）。這被認為是一個小像素尺寸，它與許多相機公司使用的非常流行的500萬像素傳感器有關。圖1A顯示了從470nm（藍色）到880nm（NIR）波長時光斑尺寸的差異。圖1B示出了由圖1A中的鏡頭產生的每個圖像的像素輸出；注意與較短波長相關的較小斑點。

圖1：在低f/#時，光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化。

Ex.2：在高f/#（理論）下，光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化

圖2中的圖像與圖1類似，但光圈設置已更改為f/8。圖2A顯示了所有的點，無論波長如何，都超過了單個像素的大小，導致能量溢出到相鄰像素中。圖2B示出了在較長波長處的像素輸出中的明顯模糊，其中在880nm處的點不再能夠被分離。這顯示了改變f/#的一個影響，即使在理論上完美的系統中。

圖2：光斑尺寸和像素輸出隨高f/#波長的變化。

Ex.3：包括像差的真實鏡頭中光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化

這個例子是在f/2.8的真實鏡頭設計的中心和角落更真實。這些數字包括甚至在最高質量的鏡頭設計中固有的像差，以及與制造公差有關的影響。像差使信息錯位并改變所產生的光點的形狀，導致光點不是旋轉對稱的；所涉及的像差的總和產生了這種形狀（關于像差的更多信息可以在像差中找到。注意，像差在圖像的角落比中心更明顯。在圖1A和1B中所示的點與圖3A和3B中所示的點相比有很大的不同；圖1是理論演示，而圖3使用的是真實鏡頭。注意像差如何影響圖3C和3D所示圖像中的光斑形狀。

圖3：包括像差的真實鏡頭中光斑尺寸和像素輸出隨波長的變化。

Ex.4：真實世界的鏡頭性能。實際圖像。

圖4是一張應用圖，顯示了具有相同焦距（16mm）、f/#（f/2.8）和視場（FOV）（100mm，水平）的兩個鏡頭的性能差異。這些圖像顯示了f/#、調制傳遞函數（MTF）和波長部分中詳細介紹的所有概念。該目標是一個多元素星形目標，允許在所有方向的公共場點中同時顯示大范圍的頻率（分辨率）。有關此目標和其他系統性能基準測試目標的更多詳細信息，請參見分辨率和MTF測試。通過檢查FOV的特寫部分，可以看到性能上的差異。圖4顯示了由兩個鏡頭成像的完整星體目標；在兩個不同鏡頭之間的比較中，目標的中心、底部中間和角落的突出顯示區域是興趣點。本例中使用了3.45μm像素、總分辨率為5MP的Sony ICX625單色傳感器和白光背光照明器。

and sensor.

圖4：使用焦距、f/#、FOV和傳感器相同的兩個鏡頭（A和B）對恒星目標進行成像。

圖4所示的比較顯示了鏡頭A的優越性能。圖像的角顯示出較大的對比度差異；在鏡頭B的例子中，明顯更難以區分黑色和白色。此外，不同像差（主要是散光）的方向性是顯著的；可以看到與在徑向方向上傳播的線相關聯的更多細節。

圖4中圖像角落的特寫（黃色框）提出了一個額外的問題，即每個黑白線對總共覆蓋大約10個像素。與圖像中心的可分辨部分相比，角落的空間分辨率（由于模糊的圓覆蓋了多個像素）從中心附近的5MP（2448×2050）降低到角落中的大約500×400像素，這低于VGA傳感器（640×480像素）可以再現的分辨率。即使在傳感器分辨率降低的情況下，由于設計限制和制造公差，從每個鏡頭的不同對比度可以看出，一些鏡頭仍然存在問題。鏡頭A的黃色框中的對比度水平為45%，鏡頭B的黃色框中的對比度水平為7%。