淺談提高數碼照相機成像質量的途徑

趙明磊

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114）

前言

數碼照相機開發和進入市場僅僅只有二十多年的歷史，但其發展速度之快和市場占有率之高，大大出乎意料之外。由于它有瞬時顯示攝影效果，便于對圖像的處理，有大的圖像信息容量，且便于通訊，傳送和綠色環保等優點，給攝影技術帶來了革命性的變化，已經成為該技術中的主導產品。

電子技術的發展、應用使數碼照相機趨于更高性能化，由于圖像傳感器的性能與外形尺寸與傳統的膠片有很大的差別，對光學系統而言，如何按照這些特點設計、制造，提出了幾個重要課題。

1 數碼照相機的特點

本文涉及的數碼照相機是廣義的，它包括工業電視監視系統和涉及醫療衛生，生物醫藥等使用圖像傳感器作為光電轉換元件的產品，同時文中提及的重要質量指標分辨率，除有特殊說明外均包含了清晰度概念。

數碼照相機根據使用要求有各種規格的物鏡，用它將被攝物成像在面陣排列的圖像傳感器CCD或CMOS上，通過電子和機械快門改變光通量對光電飽和電流控制，得到圖像光電信息，由后繼電路對獲得信息進行放大處理，實現模數的轉換，形成數字圖像，DSP電路對圖像文件壓縮存入存儲介質，可以通過輸出端與各種顯示設備連接，輸出圖像。

圖像傳感器有各種尺寸，像素元大小尺寸也不一樣，有 1/4“英寸（3.2X2.4mm），也有應用在醫療器材上尺寸達45X45mm，最小的像素元尺寸據有資料可查已達1.75μ。由于這些因素，它的焦距在同樣視場角情況下不同于傳統照相機。如果圖像傳感器外形尺寸小于傳統照相機使用膠片的尺寸，它的焦距更短，有更大的放大率，因此對物鏡的分辨率要求更高。

圖像傳感器對紅外光譜區域非常敏感，有極強的感光性能，所以在數碼照相機中為獲得很好的色再現，要加入紅外截止濾色片，一般在Kg玻璃上涂膜制成。在實際被攝物中如樹木的綠葉，人的毛發等細微的圖像屬于空間頻率較高的部分。由于圖像傳感器上像素的排列是有規則的，當圖像中的較高空間頻率超過圖像傳感器的空間頻率時，會引起波紋和偽色彩，需要引入光學低通濾波器去除被攝物的這些高頻部分。它一般由石英晶體制成。

數碼照相機分辨率與像素多少有關，為提高分辨率，現在的圖像傳感器，無論CCD或CMOS都在有限尺寸范圍內，盡量提高像素數。這樣像素元尺寸就變小，現在CMOS最小的像素元尺寸已達1.75μ。這就造成受光面積減小，受光面積和像素所占面積之比減小，開口率下降，影響了感光度。為此在每個象素元上制作時增加了微透鏡，提高光的利用率。

2 數碼照相機物鏡的光學設計特點

數碼照相機中的光學系統，電子電路，圖像傳感器等三部分對拍攝的效果影響最大，每一部分都有它本身的傳遞函數值，所以它拍攝的質量如何，大體上是由這三部分傳遞函數相乘的結果，由于每部分它的值均小于1，最終結果是一個不會超過這部分中最大值的一個值。

為提高數碼照相機的成像質量，必須對每一部分力爭盡可能提高它的值?，F對其中光學系統提高它的分辨率作出分析。

光學系統質量首先由它設計的光學彌散圓決定。CCD或CMOS的像素對圖像分辨率有影響，其像素元尺寸是決定設計要求的關鍵，當像素元尺寸大于彌散圓直徑，光學系統成像的彌散圓大小有少量的變化對系統的分辨率幾乎沒有影響。當像素元尺寸固定時，如果彌散圓尺寸大于像素元尺寸，則系統的分辨率由光學系統決定。對光學系統而言，分辨率是傳遞和重現圖像細節的能力。分辨率要求可以根據放大率，對目標物需要分辨細節的要求，按尼奎斯特定理在不引起干涉的前提下，確定需要設計時達到的分辨率。數碼照相機物鏡設計要考慮對圖像傳遞能力，也就是要求設計時在中頻時傳遞函數值盡可能高，以獲得高的清晰度。

在對成像系統進行光學設計時要充分考慮到在系統中加入了有一定厚度的低通濾波器和紅外截止濾色片的存在，需要在系統設計時同時進行。

圖像傳感器CCD或CMOS的每個像素元均帶有微透鏡。物鏡出射光線以一定的出射角入射于微透鏡，而微透鏡有它自己固有的入射角，兩者之間必須匹配，如果達不到要求，必然會造成CCD或CMOS受光部分不能完全吸收所有光線，造成漸暈，非但是光的利用率降低，還會造成對圖像傳遞有害的暗電流。根據這類情況，對數碼照相機物鏡設計必須盡量使出射光線的出射角盡量小或垂直地入射到CCD或CMOS芯片表面，這樣對物鏡要求設計成像方遠心。當然對遠心度要求可以低于計量用的物鏡要求。

現在數碼照相機大多是使用可變焦距的物鏡，要實現遠心要求可是一個難題。在實現遠心的同時，必然會使鏡頭全長增大，光闌配置若在接近CCD或CMOS位置則后半部的變倍組和調焦組移動量受到限制。為解決遠心要求通常這類物鏡由三組構成，第二組實現變倍，第一組為補償移動實現像面穩定，光闌在兩組之間。在變焦過程中要實現嚴格的像差校正。第三組實際上是場鏡兼作調焦用，它使前兩組的出瞳經它成于無限遠，實現遠心并有一定的像差校正能力，補償前兩組的剩余像差，提高變焦距物鏡的成像分辨率。

從工藝角度分析提高成像質量除了對零件包括對金屬零件要精心加工，進行公差分配計算，結構設計時要考慮裝配校正等因素外，對任何光學系統均要考慮雜光影響，當然數碼照相機物鏡更不例外。雜光是光學系統中除成像光線外，擴散到像面附近或像面上的其他非成像光線。雜光的存在，嚴重影響成像質量，使像的對比度和傳遞函數下降，使得輸出圖像的層次減少，清晰度變壞。雜光嚴重時，所輸出圖像給人以一種蒙上一層霧的感覺。對于雜光問題，早在上世紀五十年代就有研究，也找出了原因。

對光學零件和金屬零件造成雜光原因已有了研究并采取了相應的措施。特別是帶有可變光闌的物鏡對光闌葉片的表面處理非常重要。

從光學設計角度分析，由于各透鏡表面反射光，特別是加入了紅外截止濾色片和低通濾波器，這些由玻璃組成的零件，它表面反射光線經后組透鏡成的像均可能到達圖像傳感器表面或附近造成二次像，稱之為“鬼像”。它對圖像影響極大。過去光學設計對此重視不夠。現在使用的光學設計軟件已可以計算出每個面反射光的影響?？梢栽诿總€面涂多層增透膜同時對影響大的面增加多層次數，減少反射光線。

結束語

提高數碼照相機成像分辨率確切地說是提高物鏡的清晰度，是數碼照相機中一個非常重要的內容?？茖W的測試方法同樣是評定物鏡質量的一個必不可少的環節?，F有的數碼照相機整機標準JB/T 10362-2010或數碼照相機分辨率的標準GB/T 19953-2005中均沒有提到雜散光測試內容，更無適用數碼產品用物鏡的標準，實在是很大遺憾。我們生產的物鏡質量之所以不能與國外的產品相比，其中原因之一是雜散光太大，有時會感到圖像如蒙上一層霧那樣。面臨日益發展的信息通訊技術和令人眼花繚亂的數字圖像技術在數碼照相機中應用，在這種情況下更需要光學設計和測試人員努力引入研究新的質量評定方法，首先是制定雜散光測試標準與國際接軌，推廣應用雜散光測試儀器，這是我們這一代人責無旁貸的責任。

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