【文章內(nèi)容簡介】 響成像質(zhì)量的最重要因素。 圖 21 手機鏡頭成像過程 手機鏡頭基本術(shù)語 光學(xué)系統(tǒng)中有很多專業(yè)術(shù)語，手機鏡頭也不例外。手機鏡頭基本術(shù)語包括焦距、光圈、像素、分辨率、感光元件等等，本文僅介紹相關(guān)基本的專業(yè)術(shù)語名詞。 焦距 焦距是光學(xué)系統(tǒng)測量光聚集或發(fā)散能力的量度。物體的不同部分反射的光 通過透鏡聚焦在膠片的某一點上 ,圖像具有清晰的輪廓和真實的紋理 ,被稱為焦點。所述手機鏡頭為凸透鏡 ,光敏元件為凸透鏡組附近的焦點 ,基本上與透鏡中心到光敏元件 CCD[13]或 CMOS 成像平面的距離基本上等于透鏡的焦距。根據(jù)焦距長度可分為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭和長焦鏡頭 ,即視場角。 高分辨率手機鏡頭的光學(xué)設(shè)計與性能仿真 7 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的角度是 50度 ,這是人們可以看到的頭和單眼不動的角度來看 ,從 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭 ,以觀察的風(fēng)景和感覺 ,我們通?？吹降娜庋蹖ο蠡旧鲜窍嗤?。 35 mm 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距 40mm、 50mm 或 55mm。廣角鏡頭 ,即鏡頭角度大 ,適用于大范圍拍 攝距 離與現(xiàn)場附近 ,有時用來故意夸大業(yè)績前景 ,距離和透視感強 。典型的 廣角鏡頭 ,135mm 相機焦距 28mm,視角 75 度角。常用的 “35mm”和 “38mm”鏡片比 28mm焦距略長 [14]長焦鏡頭 ,俗稱 “長鏡頭 ”。適用于小景深拍攝遠(yuǎn)距離場景 ,便于背景模糊 ,突出主體。一個 35mm相機的長焦鏡頭通常分為三個階段。以下 135mm 稱為中焦距 ,如 85mm,FOV,28 度。這種鏡頭通常用來拍攝人 ,有時稱為人像鏡頭。 135500 稱長焦距 ,如 200mm,視場角 12 度。500mm說長焦距 ,視場角小于 5 度 ,適用于拍攝很遠(yuǎn)處的物體 ,如在森林近距離拍攝野生動物 ,被拍攝物體較近 ,長焦距的鏡頭是很有用的。 在成像過程中手機鏡頭 ,傳感器的尺寸是不一樣的 ,對不同大小的角的感光元件成像鏡頭的觀點是不同的 ,所以真正的透鏡的焦距 ， 較不同的拍攝范圍和傳感器的尺寸是密切相關(guān)的 ,它通常定義在鏡頭 135膠片相機的拍 攝角度的焦距 ,在不同的感光元件的角度是 135,相機的焦距被成像為 135,和等效焦距成像。 光圈 光圈也被稱為有效孔徑 ,是用來控制光線通過鏡頭進(jìn)入機身裝置 它的作用是確定進(jìn)入鏡頭的光量 ,有一個很好的鏡頭 ,通常不能隨意改變鏡頭的直徑 ,但我們可以通過孔、圓形或多邊形光柵內(nèi)部控制鏡頭中的可變鏡頭 ,鏡頭光圈為內(nèi)部裝置。 我們通常使用 f 值來表示光圈的大小 ,其中 f = f (透鏡焦距 )/D (透鏡有 效孔徑的直徑 )[15]。它是光學(xué)系統(tǒng)中相對孔徑 ( D / f )的倒數(shù)。公式表明孔徑 f 值越 小 ,孔徑越大 ,光輸入量越大 ,成像時屏幕亮度越高。光圈數(shù)序列鏡頭常用的 有 : , 、 、 、 、 , 、 F11 、 F16 、 F22 、 F32 , F64 , F128 ,通過鏡頭到達(dá) 光和感光元件 的光圈數(shù)的光的數(shù)量的平方成反比 , 所以相 鄰兩孔數(shù) 1:2 比例。例如 ,從 光圈 調(diào)整 ,光的數(shù)量將翻一番 ,我們說一 個大光圈 。對于普通消費者的數(shù)碼相機 ,光圈 F 通常在 。此外 ,孔是在 確定字段大小深度的最重要因素 ,孔徑越小 ,現(xiàn)場拍攝現(xiàn)場范圍較大深度越大 ,所以應(yīng)適當(dāng)調(diào)大光圈 ,有利于宏觀 ,和廣泛的增長拍攝 ,一般使用小光圈。 像素 高分辨率手機鏡頭的光學(xué)設(shè)計與性能仿真 8 構(gòu)成圖像的最小單位 稱為像素 。 換種方法說 ,像素數(shù) 量 越高 ,圖像的 成像辨識度 越高。數(shù)碼相機中的像素數(shù)有兩種常見的表示方式 ,一種是數(shù)組表示法 ,即產(chǎn)品的長寬 ,如像素 640 480,像素 1600 1200。另一種是代表總數(shù)的 ,如 500 萬像素 ,800 萬像素等 [16]。對光電傳感器的像素數(shù)決定了其成像分辨率。 數(shù)碼相機有兩個像素表示 : 最大和 有 效 像素。 采用內(nèi)插法將 DSP 芯片內(nèi)插得到的最大像素點 ,通過雙線性插值 、 最近鄰插值法在放大后的圖像中增加像素以增加圖像的放大率。 插值后得到的圖像 質(zhì)量不能與實際光敏成像。最大像素通常是指直接像素的 CCD / CMOS 傳感器 , 為了增加銷量的一些企業(yè) ,最大像素的數(shù)碼相機 ,只有廣告 ,但用戶應(yīng)該意識到這 是數(shù)碼相機的內(nèi)部操作和繪畫價值 ,印刷時的圖片 ,圖片的丟失將是顯而易見的。主動像素與最大像素不同 ,有源像素是真正參與成像的像素值。最大像素通常包含光 敏器件的非成像部分 ,而有效像素是透鏡變焦率的轉(zhuǎn)換。美能達(dá) dimage7 為例 ,CCD 像素數(shù)為 524 萬 ,由于 CCD 部分不參與成像 ,有效像素僅為 490 萬。 分辨率 “分辨率”一詞是指單位長度中包含的像素數(shù) ,通常為像素 /英寸 (PPI)。分辨率為1024 768 的圖像表示每個水平線包含 1024 個像素 ,即行數(shù)為 1024 行 ,行數(shù)為 768 行。數(shù)碼相機的分辨率圖像信息可以區(qū)分的能力 ,執(zhí)行和場景的細(xì)節(jié) 力表示 ,它決定了最終的圖像可以顯示圖片的大小 , 數(shù)碼相機的分辨率水平 ,取決于 CCD 或 CMOS 攝像機的數(shù)量 ,像素越多 ,分辨率越 高。 手機鏡頭的最高分辨率是照相機可以拍攝的最大圖像面積。在相同大小的圖 片中 ,分辨率越大 ,圖片面積越大。 通常分辨率由每個方向的像素數(shù)如 640 480 等表示。 手機鏡頭的最高分辨率等于它的 CCD / CMOS 像素的最大數(shù)目。像素指數(shù)通 常用 于評價的性能的 CCD / CMOS ,和分辨率指數(shù)被用來評價質(zhì)量的數(shù)碼相機拍 攝 [17]。 CCD 和 CMOS 的分辨率在水平方向上的像素數(shù)表示 ,線性透鏡成像分辨率模式 , 每一個像素的寬度 ,然后我們說 CCD / CMOS,在透鏡的水平方向上的分辨率相匹配 ,所以它也在垂直方向上。 這個定義確保 CCD / CMOS 可以精確地區(qū)分的圖像中 的最小像素數(shù)的細(xì)節(jié)。 高分辨率手機鏡頭的光學(xué)設(shè)計與性能仿真 9 3 手機鏡頭像差理論與優(yōu)化設(shè)計 理想的光學(xué)系統(tǒng)可以是近軸區(qū)域的理想圖像 ,但其實用價值不大。因為它只 適用于近軸區(qū)域非常小的相對孔徑和視野成像 。任何一個實際光學(xué)系統(tǒng)的成像 都需要一定的相對孔徑和視野 ,這正是這兩個系統(tǒng)的功能和實用價值密切相關(guān) 的。因此在計算光路時 ,遠(yuǎn)大于由傍軸區(qū)域的限制 ,物體的尺寸和位置與近軸區(qū) 域不同 ,如實際與理想之間的差異為光學(xué)像差。 手機鏡頭像差理論 在 所有的 光學(xué)系統(tǒng)中 ,像差 有 兩種類型 :一種是 波像差 ，另一種是 幾何像差。 [18]波像差的基礎(chǔ) 上 ,研究光的電磁波理論 ,如果一個完美的成像光學(xué)系統(tǒng) ,球面波 ,任何物體通 過光學(xué)系統(tǒng)的點在空間就像是一個球面波 ,事實上 ,圖像空間不是球面波前成像 , 我們偏離的程度稱為球面像 在波中的差別 。基于幾何光學(xué)理論 ,實際的光被跟蹤 , 并 且通過光學(xué)系統(tǒng)的對象發(fā)出的光偏離高斯圖像 ,稱為幾何像差 。 孔徑和視野成像具有一定的實際光學(xué)系統(tǒng) ,使入射光具有不同的直徑和不同的成像位置 ,并且入射光的成像放大率在不同的領(lǐng)域變化 ,子午面成像的性質(zhì)和失弧光束的平面是不同的。因此 ,單色光學(xué)成像會產(chǎn)生五種不同的幾何像差 ,即球差、彗差、像散 (正弦偏差 )、場曲率和畸變 ,稱為單色像差。但事實上 ,大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)都是光和多色光源成像 ,由于介質(zhì)的色散 ,不同單色光的折射率是不同的 ,所以不同的單色光成像的大小和位置是不一樣的 ,不同的成像單色光 叫顏色差異 [19]。色差有兩種 ,即位置色差和 倍率 色差。 (1)球面像差分軸同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng) ,不再是同心光束 ,在不同 的高度位置上 不同程度的近軸 成像點相對于光軸入射的光 ,我們將之稱為軸向球差的偏差。它 僅與孔徑u(H)有關(guān) ,且與視野 Y 無關(guān) ,所以球面像差可以表示為 : （ 31） 其中 , h1 表示在入射的高度 ,第一光入射面表示 A A A3 代表主球差系數(shù)和二、三階球差系數(shù) ,當(dāng)孔徑小時 ,入射高度小 ,主要表現(xiàn)為球面像差 ,球差的增加越來越大 ,最重要的兩個或兩個以上的高級像差的光學(xué)系統(tǒng) 是非常小的 ,可以忽略不計。因此 ,根據(jù)公式 (31) ,我們通常補償?shù)闹饕蛎嫦? 差與較高的球面像差 ,和糾正的邊緣帶的球差為零 :當(dāng) H = HM ,邊緣球錯誤被校正 為 0。 （ 32） ...hhh 61341221139。 ???? AAAL?2m214m22m139。m h0hh AAAAL ???????高分辨率手機鏡頭的光學(xué)設(shè)計與性能仿真 10 當(dāng) h=hm 時，邊緣帶球差校正為 0。 由于球面像差的存在 ,高斯圖像上的像點不是一個點 ,而是一個圓散斑 ,可以用公式計算出光斑的半徑 [20]: