傳感器的相對照明、衰減與光暈

為了評估和了解可能與光暈（阻止光線穿過成像鏡頭的外緣）關聯的問題，需要考慮衰減、相對照明、傳感器大小以及格式。除了以下概述外，還可以在了解適用于機器視覺應用的相機傳感器找到有關傳感器和格式的更多信息。

圖 1: 衰減是與視場相關的相對照明降低，這并非由光暈導致，而是由輻射定律決定。

將傳感器與鏡頭匹配

經常出現的問題之一就是成像鏡頭能否支持某些特定的傳感器尺寸。如果傳感器對鏡頭設計而言過大，則所生成的圖像看起來可能朝向邊緣區域不斷褪色或品質下降，這一效果是由光暈導致的。隨著系統的分辨率要求提高，需要實現兩件事中的其中一件：像素需要變小或傳感器需要變大。正如有關MTF和衍射限制的部分中所詳述的，持續降低像素大小會產生關乎光學元件解析細節的能力的重大問題。這一問題以及與當前傳感器技術關聯的信噪比和敏感性問題導致傳感器不得不增大尺寸，但如果沒有使用適當的鏡頭，尺寸增大又會導致與光暈和衰減相關的問題。

相對照明

相對照明是表示光暈和衰減在成像鏡頭中所產生的組合影響的方式，通常以傳感器任意點（規范化為具有大照明的視場內位置）的照明百分比形式提供。光暈和衰減是相對照明的兩個單獨組分。圖2顯示了相對照明示例。鏡頭性能曲線提供了關于如何讀取此曲線的更多詳情。

圖2中的曲線表明在低光圈設置（f/1.4 藍線）下，此鏡頭的相對照明為2/3"傳感器邊角處的圖像中心照明度的57%。在相同條件下，鏡頭在½"傳感器邊角處的相對照明為72%。隨著傳感器變小，相對照明會提高。另請注意，相對照明會隨f/#增加而提高，直鏡頭中不再出現光暈，此時，所有較高的f/#設置都具有相同的照明分布。增大f/#通常不會大幅提高像圈大小，因為即使縮小f/#，針對特定傳感器大小設計的鏡頭也無法在較大傳感器上獲得出色的性能。

縮小光圈后，仍然會發生衰減，因為這與光線角度（而非穿過鏡頭的光線數）有關。許多鏡頭都會具有視場中間高的照明分布，并且會在靠近邊緣時保持平穩或降低到某個更低的百分比。在極少數情況下，像圈內的相對照明會略微提高，但這與瞳孔壓縮相關，本文中不會包含該內容。

圖 2: 在x軸上顯示相關圖像傳感器格式的相對照明曲線。

鏡頭內的光暈

光暈是由于被單個鏡頭元件或機械擋塊阻止而沒有穿過整個鏡頭系統進入傳感器的光線導致的結果。這一光線截波可能是有意或無意的，在某些情況下不可避免。光暈常出現在低f/#、短焦距鏡頭，或需要在較低的成本下實現高分辨率的鏡頭中。

圖3顯示了相同的16mm鏡頭在不同f/#（f/1.8和f/4）下可能出現的截波。請注意圖3a中用紅圈標出的光線截波，這些光線無法穿過鏡頭中的所有光學元件。另一方面，圖3b顯示了沒有光暈的示例。圖3a中的光暈可能具有多種原因，包括光學元件的直徑限制，或需要去除光線以阻止雜散光。鏡頭設計中有時會特意包含光暈以提高總體鏡頭性能或降低成本。

圖 3: f/1.8(a)和f/4(b)下的16mm鏡頭設計。在f/1.8下，光暈出現在光線被鏡頭邊緣截波的位置。

旨在提高性能的光暈 (選擇性光暈)

光暈通常用于大程度地提高鏡頭設計在整個像圈內的分辨率。由于將創建圖像邊緣的光線引導到傳感器上的所需位置更加困難，因此在圖像邊緣再現分辨率較高的物體比在中央位置更難。終位于錯誤像素上的光線會降低該位置的圖像質量；管理該情況的一種方式是除去這些來自系統的光線。如果不想要的光線未進入傳感器，則不會降低圖像質量。不過，去除這些被錯誤引導的光線會降低相對照明。

像素光暈的影響：大像素

圖4描繪了f/1.4(a)和f/2(b)下，傳感器邊角中的像素上入射的光線。在圖4a中，某些光線會溢出到創建圖像的相鄰像素上，而且對比度會衰減。提高f/#（圖4b）實際上會創建光暈，阻截這些無關的光線。圖5描繪了相同光暈在傳感器中間的影響。但是，由于具有這些大像素，更改f/#對總體圖像質量幾乎沒有影響。

在制造公差會對光線控制產生不利影響，進而降低圖像質量的情況下，也可以特意在鏡頭中設計漸暈。鏡頭的公差越寬松，這些衰減效果就會變得越不利，而且收緊公差通常不太實際，因為如此會提高制造成本。通常，必需在降低制造成本和維護圖像質量之間保持平衡。在將成本作為主要因素的情況中，必需利用光暈，以嘗試在視場內保持分辨率。這種做法會對照明分布產生不利影響。可以通過幾種不同方式在鏡頭中設計光暈：通過特意為各個鏡頭元素設計清晰的光圈，使它們嚴重暈化離軸光線，或通過引入機械光圈來阻止有像差的光線，如圖8a所示。

像素光暈的影響：小像素

在圖6和7中，像素已減小為一半大小，這使分辨率提高了4倍。此示例中通過大幅提高f/#來暈化，進而改善整個傳感器內的性能，這與*個示例相反，前者只是稍微改善了圖像邊角處的成像性能。這些圖(4 - 7)均展現出標稱設計功能，并未解釋制造公差所導致的性能降低。包括公差后，光暈需求更為明顯，尤其是在成本作為驅動因素的情況中。

圖 4: 在f/1.4(a)和f/2(b)下，傳感器邊角中的像素上入射的光線。提高f/#可創建光暈，阻截涌入4a中鄰近像素的無關光線。

圖 5: 在f/1.4(a)和f/2(b)下，圖像中間的像素上入射的光線。提高f/#不會對圖像質量產生重大影響，因為在每個示例中，所有光線都包含在所需像素中。

圖 6: 在f/1.4(a)和f/2(b)下，傳感器邊角中的像素上入射的光線。提高f/#可創建光暈，阻截涌入鄰近像素的無關光線。

圖 7: 在f/1.4(a)和f/2(b)下，圖像中間的像素上入射的光線。提高f/#可創建光暈，阻止無關光線涌入鄰近像素。

不同鏡頭設計中的光暈示范

圖8和關聯的MTF曲線采用標準的12mm鏡頭設計和相對照明曲線。請注意8a中間（藍線）和邊角（綠線）的光線束大小差異；大小差異體現了大量選擇性光暈。光暈會導致圖像邊緣的照明度比圖像中間更低(8b)。這是為了大程度地降低與材料和制作公差相關的成本，同時以較低的價格保持合理性能。

圖9中的鏡頭（超高分辨率的12mm鏡頭設計）由于光暈程度較低，場內光線束的大小更加均勻(9a)。這可以轉化為整個傳感器內更加均勻的相對照明(9b)。本示例中的鏡頭采用成本更高、公差更高的材料設計，這使它能夠在圖像中保持高水平的性能，而無需采用光暈來改善其性能。使用這類鏡頭時需要權衡的是，超高分辨率鏡頭比標準設計鏡頭更昂貴。

圖 8: 標準12mm鏡頭光線路徑(a)，相對照明曲線(b)和MTF曲線(c)。

圖 9: 超高分辨率12mm鏡頭光線路徑(a)，相對照明曲線(b)和MTF曲線(c)。

照明衰減

在簡單的形式中，某些無光暈的給定像圈的大鏡頭亮度受像方空間內主光線角的余弦的四次方限制。這被稱為cos4q衰減。圖10顯示了圖像中間和邊角處的主要光線（以紅色突出顯示）。

圖 10: 成像鏡頭布局，突出顯示屬于圖像中間（藍線）和邊角處(綠線)的光線束的主光線。這些光線定義了用于確定衰減近似值的角度。

在許多應用中，衰減不是問題；但如果主光線角變得非常陡傾，衰減就會非常棘手。在使用大型傳感器的應用、線性掃描應用以及廣角視場（短焦距）應用中尤為如此。表1顯示了衰減如何隨角度增加。請注意，對于15°的角，相對照明從中間到邊角會降低大約13%，但將角度翻倍后，衰減會提高到相對照明降低約44%。工作距離較短、視場較大的應用中，必需考慮到衰減。這可能會在像方空間中產生較大的主光線角，與傳感器大小無關。

更正衰減的方式之一是將鏡頭設計為像方空間遠心。通過這種方式，主要光線的角度差異是0°，這能產生均勻的照明。另一種抵消衰減的方式是在受檢測物體上創建不平衡的照明。通過將其他燈光安裝在更靠近受檢測物體邊緣的位置，或在鏡頭上添加變跡中性密度濾光片，可以緩解衰減。

衰減和微型鏡頭

許多傳感器都使用微型鏡頭來增加使其成為有效像素區域的光線量。與所有其他鏡頭一樣，微型鏡頭也具有工作效率高的角譜寬度。隨著入射角增大，使其成為有效像素區域的光線量將會減少。大多數鏡頭設計都試圖將像方空間主光線角保持在57°以下，以降低這些影響。圖11a顯示了像素上方的微型鏡頭。圖11b和11c分別顯示了光線在正入射和斜入射到微型鏡頭時的聚焦情況。正入射將顯示傳感器上的中間像素。在此位置，所有光線都聚焦在有效像素區上。在斜角中，并非所有光線均可達到有效像素區。這會導致低于鏡頭相對照明曲線上所值的相對照明。

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