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如何选择图像传感器的镜头

疯狂的FPGA 来源:疯狂的FPGA 2024-01-16 10:10 次阅读

题为ISP前传,即正式开始研究ISP之前,我们不得不先得搞清楚的一些基础概念:

ISP的传统应用主要包括数码相机和摄像机,而决定数码相机与摄像机的成像质量的,除了图像传感器与ISP图像处理芯片部分,最为重要的就是镜头部分。所谓玩单反穷三代,主要讲的也是镜头部分的昂贵投入,并且不同焦距的镜头得换着伺候,更是望尘莫及。

手机中,镜头也是影响成像质量最为重要的部件。当下阻碍手机越做越薄的关键,就是手机的镜头。甚至为了满足不同焦距,不同光圈的拍照,以获得更好的画质以及拍摄体验,手机开始集成了多个Sensor+配套镜头。如下是手机镜头的组成结构,主要由基板+图像传感器+650nm滤波片+光学镜片组成。

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对于我们草根来说,DIY设计或者产品定义,通常用不到手机这么复杂的镜头。如果不涉及Auto-Focus,那么镜头也没有马达部分,产品出厂的时候通过手动调焦后固定镜头部分,即可。针对这种设计及应用,我们该如何选择图像传感器的镜头?

1.镜头座子选型

首先,手机摄像头是通过在软硬结合板上贴好传感器后,再用胶镜头上去的,这种设计去定制生产,DIY太麻烦了(后面专门写一篇文章讲如何定制FPC模组)。我们常规的设计,就得在PCB上先留好镜头座的孔位(镜头装在外壳的除外)。这里以如下图,为20mm孔间距座子的PCB示意图(思特威SC130GS):

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镜头孔间距,是用来安装镜头座子的。以M12镜头座为例,一般有18mm、20mm、22mm孔距,其中20mm最为常用。如下所示,为20mm M12镜头座的尺寸图,我们主要关注固定孔间距以及边框的尺寸(必须比Sensor大,否则就得换更大孔间距的座子)。

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确定好了镜头座的固定孔尺寸(20mm),接下来就是镜头座子的选型。这里仍然以M12镜头座为例(CS类比),按照材料分有金属以及塑料的镜头座。

这两种材料的镜头也各有优缺点,对比如下:

1)塑胶座子:更轻、更便宜、不掉铁屑;但容易拧歪,固定孔需要攻丝

2)金属座子:精度更高、固定孔带螺纹直接拧;但更贵,容易掉铁屑

2.650nm滤波片的选择

监控相机上有个重要的组件,要做IR-CUT,如下图所示:

开始讨论滤波片前,我们先看看传感器在不同波段下的特性。以SC130GS彩色及黑白的光谱图为例,如下所示:

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可见SC130GS在350nm~950nm波段都可以接受光线,但是我们的人眼不行,人眼只能感受到650nm左右的波段(个别人除外),如下图所示:

1271d3b0-b3cc-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

650nm后面,主要是红色及红外部分,此时绿色和蓝色较弱,如果相机为了呈现人眼看到的景象,那么650n以上部分就是传感器接收到的冗余的光线,因此也就会有了IR-CUT。IR-CUT在白天的时候打开,此时在镜头和Sensor之间加装了650nm滤波片,有效滤除了冗余的红色及红外部分,尽可能地保持和人眼同样的敏感程度。否则由于吸收了过多的红外光,图像容易偏红,不太好做后续的图像处理。

但是在夜晚,作为监控相机与生俱来背负的使命,就需要发挥价值了。晚上人眼看不到(动物除外),但为了更好的监控视觉,往往有850nm红外补光,因此需要将IR-CUT关闭,此时Sensor感光全透,在850nm红外光的作用下,可以看到人眼看不到的晚上。如下图所示,为此刻的本人,虽然没有开灯,但HK监控相机上的850nm补光后,客厅历历在目。

这里,我们得进一步解释/提出3个问题:

1)如果是黑白相机,比如前面的SC130GS的光谱,始终只能看到黑白图像,那么不需要650nm滤波片

2)红外补光可以黑暗成像问题,但仍然是黑白成像,并且容易红曝光

3)如何实现一个彩色低照度相机呢?有待后续我们深入研究!

再回到问题的源头,我们如何加装650nm滤波片呢?主要有以下几个方法:

1)在镜头上贴650nm滤波片,如下(1)所示:

2)选择集成了650nm的滤波片,如下(2)所示:

3)选择IR-CUT镜头座,但需要额外电路控制

3.镜头选型

镜头的选型,一半依赖传感器的尺寸,另一半根据需求来确定。传感器的靶面,决定了我们能用多少靶面的镜头;而需要拍摄的距离,决定了我们镜头的焦距。最后,才是光圈、景深。

这里再举一个例子,以思特威的SC2210为例子,其传感器相关参数如下(左)所示:

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由于传感器的靶面为1/1.8'',那么我们至少得选择1/1.8''的镜头,否则会导致4角不能正常成像;但如果选择靶面过大的镜头(比如1寸),那么实际就中间部分有效,则容易导致成像角度过小。

另外,1/1.8寸常用的镜头为6mm,如果更短的焦距,则会有更大的畸变;那么如果没有成熟的畸变矫正算法,则选择6mm甚至以上的镜头更优。实际上能从淘宝上买到的1/1.8寸的镜头,几乎也就是6mm的,我们设计的SC2210用的也是6mm焦距的镜头,SC2210模组及这款镜头的详细参数,如下所示:

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另外,这边引入的话题就多了,待后续慢慢展开解释,罗列如下:

1)FPGA畸变矫正算法,如何实现

2)如何根据靶面及焦距,计算视场角及拍摄距离

参考内容:无,online天马行空!

PS:原本只想简简单单讲一下镜头选型,但往往为了讲一个问题,会引入更多的问题,这就是写文章最可怕的地方

PS:夜深人静,没有嘈杂的打扰,愿这份宁静,可以一直坚持下去。

审核编辑:汤梓红

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原文标题:【ISP前传1】草根DIY摄像头,该如何选镜头?

文章出处:【微信号:疯狂的FPGA,微信公众号:疯狂的FPGA】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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