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Engineering a digital-camera system

Article By : Richard Crisp

什么是设计参数，如何设计相机系统？

今天几乎到处都有数码相机。根据LDV Capital，到2022年，全球运营中将有450亿相机。2019年，超过500个小时的视频为上传到YouTube一天中的每个小时。除了我们熟悉的智能手机，汽车和家庭安全应用外，数码相机还用于实验室仪器内部来序列DNA以及寻找危险的威胁地球的小行星以及涵盖显微镜和宏观物体的各种应用。

尽管应用了广泛的应用，但这些可见光的照相机共享一个通用技术平台，并具有少数相互关联的设计参数，它们与另一个相互区分。从基本运营原则的角度来看，Keck Telescope夏威夷Maunakea的成像系统和智能手机中的自拍摄像机。基本上，设计参数是不同的。

那么，这些参数是什么？如何工程相机系统？从设计的角度来看，要选择的两个关键组件是光学和图像传感器。但是，正如我们将看到的那样，一个选择会影响另一个选择。

数码相机设计中的一阶选择

首先，确定您想要的图像对计划的目标对象以及在什么范围内的图像。它将在设置图像传感器中的像素的大小和光学元件的焦距中发挥作用。

例如，假设目标高两米，范围为100米。为了准确地对目标进行映像，您可以决定希望目标的高度覆盖100像素的范围。因此，图像比例将为2米/100像素= 20毫米/像素在100米的范围内。

通过指出它是“小角度”，可以从三角学的角度近似：小角度的正弦或切线大约等于在弧度中测量的角度本身。因此，我们可以通过：

20 mm / 100,000 mm = angle (radians) = 0.2 milliradians/pixel

有无限数量的焦距和像素大小可以组合以获得特定的IFOV，因此我们需要选择焦距或像素大小。一旦选择一个，另一个通过求解相似的三角形来确定（图1）。在此示例中，假设我们有一个2微米像素。那么，适当的焦距是多少？

2微米 /焦距（微米）= 20 mm / 100 m，焦距= 10 mm

图1Design engineers need to either pick a focal length or a pixel size, then determine the other by solving similar triangles. Source:Etron Technology

决定像素尺寸

我们任意选择一个像素大小为2微米。这有什么意义？像素的大小确定在给定时间内可以收集多少光；较大的像素会收集更多的光线。同样，较大的像素通常具有较高的饱和能力。它比较小的像素可以容纳更多的电荷，这意味着它具有更高的动态范围。

但是与像素大小有关。一个是成本；较大的像素意味着给定像素计数更大的传感器死亡。这通常意味着能够以可接受的失真为较大的传感器来照亮较大的镜头。镜头成本和重量随孔径直径迅速增长，从而导致系统设计的限制。

像素大小还有另一个含义，即对图像场景的采样。即使成像一个点源，光学也不会将注意力集中在任意小点上。取而代之的是，由于衍射，镜头可以产生的最小斑点是有限的，并且是光焦比（F＃）和光波长的函数。这种“光学模糊”通常被称为Airy磁盘。

The Airy disk is defined as the diameter of the trough at the first null. Nyquist sampling theory says that to properly sample the Airy disk, there should be 4.88 pixels covering it. So, if we are using a 2-micron pixel, then a 9.76-micron Airy disk would be the proper size for such a pixel.

图2强度与半径的图显示衍射有限的光学元件和通风盘焦距。资料来源：Etron技术

因此，对于我们的2微米像素和550 nm的光，最佳焦距大约为f/8-10微米磁盘。它用于单个单色像素用作采样单元。对于包含颜色滤清器阵列（例如标准拜耳图案）的图像传感器，采样单元是2×2像素簇，这是用作单色传感器的同一类型传感器的像素面积的四倍。对于拜耳情况，采样单元由仅25％活动的蓝色像素组成，红色像素具有相同的25％活性，而活性为50％的绿色像素。

实际上，由于颜色掩盖像素的单色像素实际上并不是100％光敏的，因此相同的百分比降低适用于颜色掩盖的像素。因此，25％和50％的敏感性是真正像素不会超过的最大敏感性（图3）。

图3在此插图中，采样单元在左侧显示，并在右侧包含采样单元的颜色掩盖像素。资料来源：Etron技术

为什么焦距很重要

对于用作颜色遮盖传感器的相同基本传感器的最佳焦距，采样单元对于颜色掩盖版本更大。由于现在采样单元现在是2×2像素群，因此，斑点大小的4.88采样意味着点大小的大小必须是单色案例中的两倍（图4）。

图4颜色面膜中的斑点大小应大约是单色案例中的两倍。资料来源：Etron技术

As a consequence of the larger-sized sampling unit, a color-masked version of a monochrome sensor would optimally use a focal ratio 2× that of a monochrome version of the same sensor. That means what was an F/8 optimum focal ratio for a mono camera will now be an F/16 for color.

现在，让我们定义焦距，通常表示为f＃或f/＃。这是焦距与孔径的比率。在我们的设计示例中，10毫米f/8光学的光圈为10 mm/8 = 1.25 mm。某些镜头可以通过可调的虹膜具有可调的光圈大小，该虹膜通过“将其停止”来有效地改变光圈大小。低成本镜头通常具有固定的孔径尺寸。

通常以镜头的“速度”来谈论焦距。快速镜头将具有f/2或f/3之类的低焦距，而缓慢的镜头将具有较高的焦比，例如f/8，f/f/16或f/32。

焦率越高,镜片越慢d the longer it takes for a given level of exposure. A doubling of focal ratio will quadruple the exposure time needed to reach a target signal level in an image. To see why that is, consider the following example.

具有固定光圈的可变焦距镜头将具有可变焦距。对于2：1的变焦镜头，可将固定1.25 mm光圈的10至20 mm焦距调节，焦比将从10 mm焦距的f/8到20 mm焦距的f/16不等。随着焦距的增加，传感器端的“放大倍数”增加。净效应将镜头的光传播到更大的直径圆，从而降低了“亮度”与面积增加的比例。只有固定数量的光通量。

A doubling of focal length results in a doubling of the diameter of the circle of light illuminating the sensor. As the diameter of a circle is doubled and the area is quadrupled, the exposure duration quadruples when the focal ratio is doubled in order to reach the same integrated signal for the same scene brightness (图5）。

图5焦距的加倍导致光圆的直径逐渐亮起图像传感器。资料来源：Etron技术

Field of view calibration

视场（FOV）本质上是IFOV乘以X轴和IFOV的像素的数量，而IFOV乘以Y轴中的像素数。因此，如果有0.2 milliradians/Pixel的IFOV和设计工程师的IFOV具有1000×1000像素图像传感器，也就是“焦平面阵列”，则它们的总体FOV为0.2×0.2雷达。回想一下，有180度的Pi弧度，因此大约为11.46×11.46度的FOV。

对于使用相同图像秤的较大FOV，工程师将使用具有更多像素的传感器。例如，使用0.2 milliradians/Pixel和一个4K视频传感器具有3840×2160像素，该系统的总FOV为44×24.75度。

Note that this FOV could be obtained with larger or smaller pixels by adjusting the focal length of the optics, and that consideration should be given to proper sampling of the Airy disk provided by the optics.

编者注：这是关于数码相机设计系列的第一篇文章。它显示了如何为单色图像传感器和具有集成颜色滤波器阵列的成像系统的成像系统的像素大小，焦距和焦距。此外，它将曝光时间与焦距的敏感性以及如何计算相机的FOV的敏感性告知设计工程师。本系列的第2部分provides a detailed treatment of imaging when there’s motion in the scene.

本文最初发表在EDN。

理查德·克里斯普（Richard Crisp）is VP of New Product Development for Etron Technology America.