首页 > 技术文章 > 多媒体 > CMOS影像感测器之透镜哲学

CMOS影像感测器之透镜哲学

52RD.com 2007年6月13日 郭长祐            评论:0条 我来说两句
  

引言:今日许多人都在谈论CMOS影像感测器(CMOS Image Sensor)的市场规模,也有许多人预估未来CMOS与CCD间的技术消长发展,也有许多业者不断向用户宣扬各种独到技术及功效,同时业者间也不断宣称自己拥有最多、最关键的专利智财权,如此反而使与CIS紧密相关的透镜(Lens)设计与选用遭到忽略……

就设计应用而言,除了CMOS影像感测器外,紧紧与之相关的是镜片、透镜部分,在研发设计的过程中必须对此需要进行多项评估,如此才能选定合用的感测器透镜,反之若影像感测器与感测器透镜不能相配合,将使感测功效大打折扣,无法发挥其完全功效。

而如何评估与选择透镜呢?关于此可以分两方面来谈,一是各项基础参数的评估,这方面包括透镜的格式、透镜的接合方式、焦点距离(简称:焦距)、焦距比数、以及其他相关参数等等。

另一则是应用层面的评估,举例而言,对汽车的倒车影像而言,其应用属于近接影像感测,不会有忽近忽远的感测需求,所以不需要使用变焦镜头,只要使用固定式的镜头即可。相对的,中高阶的数字相机、专业数字相机等有时会有远拍的需要,所以需要变动焦距,这时就需要用上变焦镜头。

变焦镜头只是其一,其他还有光圈、快门等要求。不过,即便选择固定式镜头,也不表示全然没有变焦的机会,透过数字处理技术依然能够提供数字变焦的权宜、变通作法。同样的,有些数字相机不能提供机械式快门,但仍可透过电子控制的技术来调节影像感测的曝光(感测)时间,达到与实体性机械性快门相近的效果、目标(附註1),而本文以下将针对基础参数方面的部分进行更多的探讨。

透镜的格式(Lens Format)

透镜格式是影像尺寸的一项规格标准,用来决定要产生的影像大小。透镜的格式与影像感测器的对角线长度有关连性,不过这个关连性并不紧密,但是仍然容易让人造成偏误。举例来说,2分之1英吋的透镜格式所应当使用的影像感测器,其对角线长度应当为8公釐,而不是12.7公釐(12.7公釐即是2分之1英吋长);同样的,4分之1英吋的透镜格式所应当採用的影像感测器,其对角线长度应为4公釐,而不是6.35公釐。以下我们列出影像感测器光学格式与实际感测器对角线的合适对应表:



由此可知,透镜的尺寸并不直接等于感测器的对角线尺寸,虽然两者呈正比关系,但却不是直接关系。

接合方式(Mounting)

典型的透镜接合方式是使用标准性的接合设计,目前这类型的标准有多种标准,不过针对CMOS影像感测器系统而言,比较常见与常使用的是C-mount、CS-mount、以及S-mount,这3种接合作法都有其标准的接合螺纹格式(thread format)。在这些接合标准当中,以S-mount较适合用在小型摄影机的设计中,不过在相同条件下S-mount不如C-mount,如此影像品质也会受到影响,此点必须多加留意。




此外要提醒的是,具备C-mount接座可以接合符合C-mount或者是CS-mount标准的透镜(或称:镜头),但是CS-mount接座就只能使用CS-mount标准的透镜,而无法使用C-mount标准的透镜。换句话说,C-mount接座具有相容(或可说是:兼容)使用2种标准的能力。




图说:美国美光(Micron)公司的CMOS影像感测器:MT9D011。MT9D011拥有200万以上的画素,具有1,600(水平) x 1,200(垂直)的影像感测解析度。MT9D011合乎RoHS规范,其像素尺寸为2.8微米 x 2.8微米,画面更新率在15fps∼30fps间,影像输出采行10位元串列传输。(www.Micron.com)



焦距(Focal Length)

焦距指的是:「镜片中心位置」到后端影像感测器的「感测表面」(同理过去则为相机底片,或者是人类肉眼的视网膜)之间的距离,所以焦距是长度单位,改变焦距的长短能改变影像的缩放程度,同时也与影像感测的视野、角度密切关连。

举例来说,如果焦距很长,除了将影像更加放大之外,但同时间也会让影像的可视范畴缩小,这时就类似1个望远镜头(Telephoto Lens)。反过来,如果焦距很短、很接近成像感应位置,那么放大的倍率就会减少,但同时可看的视野就很广,这样的效果就类似1个广角镜头(Wide-Angle Lens)一样。

就一般的影像系统而言,其水平的可视角度(field of view)约都在35度∼45度之间。不过应用设计者多半期望拥有更精确的计算,关于此也有方程式可以求算,以便瞭解「多少的焦距长度会改变、影响多少的可视角度」。

θ≒2tan-1(w/2f)

在上述的方程式中,「θ」就是指透镜与感测器结合后的可视角度,而「tan-1」就是三角函数中的「arc-tangent」,至于「f」则是指焦距长度,另外「w」则是指影像感测器的宽度。此外,以上的方程度虽是用来求算水平可视角度,但其实无论是「垂直」还是「对角」等也可都可以比照「水平」的方式求算出。

焦距比数(F-Number)

焦距比数有时也称为「Focal ratio」。焦距比数是个比例数字,指的是焦距长度与透镜直径(Diameter,或者也可称为「孔径」,Aperture)长度两者间的比值。就一般的运用来说,焦距比数的数值约在f/1.4∼f/8范畴之间。

进一步的焦距比数的高低对影像感测有何影响?关于此答案在于进光量,焦距比数小的情况下可以有较多的光透射到镜头内,但同时也必须限制曝光度。反过来,焦距比数大的情况下透射到镜头的光将减少,但却允许有较大的曝光宽容度。


值得注意的是,进光量与焦距比数的平方呈反比。举例来说,f/2的透镜、镜头与f/8的透镜、镜头相比,f/2的进光量就会是f/8的16倍高。此外,有些镜头具有光圈(Iris)的设计,如此可以更细腻、有效地控制焦距比数与透镜的孔径。

不过,在一些低成本的影像感测应用设计中,其透镜孔径、焦距比数等等是固定的,无法再行调整、改变,如此多半建议使用f/1.4或f/2的数值,採取较低数值的焦距比数,用意是为了尽可能增加影像感测器的进光量,尤其CMOS影像感测器与CCD影像感测器相比,CMOS影像感测器在低亮度的感测灵敏度不如CCD影像感测器,所以就格外需要进光量的增加。




图说:CMOS影像感测器除了像素、速度、解析度等各种具体性规格的较量外,业者也都积极强调非量化比较的独有技术,图为FOVEON公司独家的X3技术之示意图。(www.foveon.com)

选择合适的透镜

透镜的选择主要有2个重点参数,一是解析度(Resolution),另一则是格式(Format)。

首先说明解析度,透镜必须能提供比感测器像素更精细的成像能力才行,举例来说,今天1个CMOS影像感测器的像素尺寸为5微米,那么透镜对影像成像的细腻度就必须小于5微米,如果达不到这个要求,则感测出来的将是模煳的影像。反过来,如果成像细腻度确实小于5微米,那么感应出来的成像将会犀利、锐利。所以透镜的解析度愈高愈高,最好能远远小于感测器的像素尺寸。

其次是格式,其实就是指透镜、镜片、镜头的尺寸,此方面的要求是必须大于CMOS影像感测器的感测面积。同样举例说明,1个感测面积的对角线长度约4公釐的CMOS影像感测器,其合适的光学格式为4分之1英吋,所以要求上必须大于等于4分之1英吋,不过也不用过大,过大反而成为浪费。

此外各位或许会问:如果小于4分之1英吋会如何?答案是:CMOS影像感测器将无法完整感应物像,接近角落位置的影像将被截断,无法被感应到,而前面提到吋数也不要过大的原因,是因为过大的尺寸会使感测面积的角落、边缘根本没有用来感测影像,所谓的浪费也就在此。

除了「解析度」与「格式」外,其实还有许多参数要权衡考量,例如「扭曲,Distortion」是其一,或者「相对照度,Relative Illumination」也是其一,扭曲用来衡量光线折射后的笔直性表现,而相对照度则用来考验光均性,避免图像感应的中央位置与週缘位置有不同的亮度。当然,我们前面也讲述了一些相关参数,例如「f-number,焦距比数」、「field of view,可视角度」等,这些参数经常是相互连动的,调整与设计上经常要进行取捨折衷,设计者必须对此有所体悟才行。





图说:美国美光(Micron)公司的CMOS影像感测器:MT9D111。MT9D111拥有200万以上的画素,具有1,600(水平) x 1,200(垂直)的影像感测解析度。MT9D111可说是MT9D011的单晶片化版本,即是除了影像感测器外,也将模拟数字转换、影像处理等相关硬件电路也一併整合在单一的晶片封装中。(www.Micron.com)

透镜研制业者

在透镜研制业者方面主要分成2类型,一是现行一般型录上的商用镜头(镜片),此称为「Catalog Lens」,这类型的镜头早在CMOS影像感测器普及前就已经运用,另一则是真的针对CMOS影像感测器而研制、生产的镜头,此多被称为大量生产型镜头(Mass Production Lens)。两类型镜头依据不同的应用设计需求而用。




图说:三星电子(Samsung Electronics Co., Ltd.)于今(2007)年3月27日发表的840万像素之CMOS影像感测器。(www.samsung.com)

就目前来说,较知名的Catalog Lens业者为Marshall Electronics、Navitar等,而量产型镜头方面则有日本的日本电产(Nidec Copal)、柯尼卡美能达(Konica Minolta)、美国的Sunex等等,台湾方面也有多家业者投入,包括:一品光电(E-Pin)、先进光电(AOET)、大立光电(LARGAN)、晶远光学工程(MaxEmil)等等。

各业者也针对不同应用领域而研制不同取向的镜头,以大立光电(TSE:3008,大立光)为例,移动用镜头、Web Cam(或称:PC Camera)用镜头、车用镜头、数字相机用镜头、扫描器镜头等。



图说:柯达(Kodak)的KAF-31600影像感测器,具有3,160万像素,6.8um的像素尺寸,以及33mm x 44mm的光学格式。(www.kokda.com)

附註1:虽然有权宜、变通作法,但现阶段的水准表现仍无法与实体性作法相比拟,此类权宜变通作法多半是成本、应用考量下而生,例如以达成应用目标为前提下,用较低的成本来达到要求,或者以成本为前提,以相近的功效表现来满足应用。

(52RD.com)
读取...
相关报道
评 论
文章导航 Navigation
精彩评论 Commentmore...
赞助商链接 Support
特别推荐 Recommend