淺談提高數(shù)碼照相機(jī)成像質(zhì)量的途徑

趙明磊

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 201114）

前言

數(shù)碼照相機(jī)開發(fā)和進(jìn)入市場僅僅只有二十多年的歷史，但其發(fā)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(huán)保等優(yōu)點，給攝影技術(shù)帶來了革命性的變化，已經(jīng)成為該技術(shù)中的主導(dǎo)產(chǎn)品。

電子技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用使數(shù)碼照相機(jī)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(tǒng)的膠片有很大的差別，對光學(xué)系統(tǒng)而言，如何按照這些特點設(shè)計、制造，提出了幾個重要課題。

1 數(shù)碼照相機(jī)的特點

本文涉及的數(shù)碼照相機(jī)是廣義的，它包括工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)和涉及醫(yī)療衛(wèi)生，生物醫(yī)藥等使用圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換元件的產(chǎn)品，同時文中提及的重要質(zhì)量指標(biāo)分辨率，除有特殊說明外均包含了清晰度概念。

數(shù)碼照相機(jī)根據(jù)使用要求有各種規(guī)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(jī)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(jìn)行放大處理，實現(xiàn)模數(shù)的轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字圖像，DSP電路對圖像文件壓縮存入存儲介質(zhì)，可以通過輸出端與各種顯示設(shè)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(yīng)用在醫(yī)療器材上尺寸達(dá)45X45mm，最小的像素元尺寸據(jù)有資料可查已達(dá)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(tǒng)照相機(jī)。如果圖像傳感器外形尺寸小于傳統(tǒng)照相機(jī)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(qū)域非常敏感，有極強(qiáng)的感光性能，所以在數(shù)碼照相機(jī)中為獲得很好的色再現(xiàn)，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(fā)等細(xì)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(guī)則的，當(dāng)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(xué)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(shù)碼照相機(jī)分辨率與像素多少有關(guān)，為提高分辨率，現(xiàn)在的圖像傳感器，無論CCD或CMOS都在有限尺寸范圍內(nèi)，盡量提高像素數(shù)。這樣像素元尺寸就變小，現(xiàn)在CMOS最小的像素元尺寸已達(dá)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(shù)碼照相機(jī)物鏡的光學(xué)設(shè)計特點

數(shù)碼照相機(jī)中的光學(xué)系統(tǒng)，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(shù)值，所以它拍攝的質(zhì)量如何，大體上是由這三部分傳遞函數(shù)相乘的結(jié)果，由于每部分它的值均小于1，最終結(jié)果是一個不會超過這部分中最大值的一個值。

為提高數(shù)碼照相機(jī)的成像質(zhì)量，必須對每一部分力爭盡可能提高它的值。現(xiàn)對其中光學(xué)系統(tǒng)提高它的分辨率作出分析。

光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量首先由它設(shè)計的光學(xué)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(shè)計要求的關(guān)鍵，當(dāng)像素元尺寸大于彌散圓直徑，光學(xué)系統(tǒng)成像的彌散圓大小有少量的變化對系統(tǒng)的分辨率幾乎沒有影響。當(dāng)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(tǒng)的分辨率由光學(xué)系統(tǒng)決定。對光學(xué)系統(tǒng)而言，分辨率是傳遞和重現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)的能力。分辨率要求可以根據(jù)放大率，對目標(biāo)物需要分辨細(xì)節(jié)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(shè)計時達(dá)到的分辨率。數(shù)碼照相機(jī)物鏡設(shè)計要考慮對圖像傳遞能力，也就是要求設(shè)計時在中頻時傳遞函數(shù)值盡可能高，以獲得高的清晰度。

在對成像系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計時要充分考慮到在系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計時同時進(jìn)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(dá)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(jù)這類情況，對數(shù)碼照相機(jī)物鏡設(shè)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(shè)計成像方遠(yuǎn)心。當(dāng)然對遠(yuǎn)心度要求可以低于計量用的物鏡要求。

現(xiàn)在數(shù)碼照相機(jī)大多是使用可變焦距的物鏡，要實現(xiàn)遠(yuǎn)心要求可是一個難題。在實現(xiàn)遠(yuǎn)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(diào)焦組移動量受到限制。為解決遠(yuǎn)心要求通常這類物鏡由三組構(gòu)成，第二組實現(xiàn)變倍，第一組為補(bǔ)償移動實現(xiàn)像面穩(wěn)定，光闌在兩組之間。在變焦過程中要實現(xiàn)嚴(yán)格的像差校正。第三組實際上是場鏡兼作調(diào)焦用，它使前兩組的出瞳經(jīng)它成于無限遠(yuǎn)，實現(xiàn)遠(yuǎn)心并有一定的像差校正能力，補(bǔ)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(zhì)量除了對零件包括對金屬零件要精心加工，進(jìn)行公差分配計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮裝配校正等因素外，對任何光學(xué)系統(tǒng)均要考慮雜光影響，當(dāng)然數(shù)碼照相機(jī)物鏡更不例外。雜光是光學(xué)系統(tǒng)中除成像光線外，擴(kuò)散到像面附近或像面上的其他非成像光線。雜光的存在，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，使像的對比度和傳遞函數(shù)下降，使得輸出圖像的層次減少，清晰度變壞。雜光嚴(yán)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(jì)五十年代就有研究，也找出了原因。

對光學(xué)零件和金屬零件造成雜光原因已有了研究并采取了相應(yīng)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(xué)設(shè)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(jīng)后組透鏡成的像均可能到達(dá)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(xué)設(shè)計對此重視不夠。現(xiàn)在使用的光學(xué)設(shè)計軟件已可以計算出每個面反射光的影響。可以在每個面涂多層增透膜同時對影響大的面增加多層次數(shù)，減少反射光線。

結(jié)束語

提高數(shù)碼照相機(jī)成像分辨率確切地說是提高物鏡的清晰度，是數(shù)碼照相機(jī)中一個非常重要的內(nèi)容。科學(xué)的測試方法同樣是評定物鏡質(zhì)量的一個必不可少的環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的數(shù)碼照相機(jī)整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10362-2010或數(shù)碼照相機(jī)分辨率的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19953-2005中均沒有提到雜散光測試內(nèi)容，更無適用數(shù)碼產(chǎn)品用物鏡的標(biāo)準(zhǔn)，實在是很大遺憾。我們生產(chǎn)的物鏡質(zhì)量之所以不能與國外的產(chǎn)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(fā)展的信息通訊技術(shù)和令人眼花繚亂的數(shù)字圖像技術(shù)在數(shù)碼照相機(jī)中應(yīng)用，在這種情況下更需要光學(xué)設(shè)計和測試人員努力引入研究新的質(zhì)量評定方法，首先是制定雜散光測試標(biāo)準(zhǔn)與國際接軌，推廣應(yīng)用雜散光測試儀器，這是我們這一代人責(zé)無旁貸的責(zé)任。

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