[Partage pratique] Cet article vous aidera à comprendre le capteur d'image CMOS (capteur) et l'objectif du module de caméra

1.Capteur d'image CMOS (Capteur)

1.1 Taille du capteur

La taille du capteur est un indicateur clé pour mesurer la taille de sa zone photosensible, généralement exprimée en longueur diagonale en pouces. Le rapport hauteur/largeur est généralement de 4:3, mais pour des raisons historiques, 16 mm dans le capteur sont définis comme 1 pouce. Plus la taille du capteur est grande, plus sa capacité à capturer la lumière est forte, générant ainsi des images de meilleure qualité.

Les tailles de capteur courantes sont 4/3 pouce, 1 pouce, 2/3 pouce, 1/1,8 pouce, 1/2 pouce, 1/2,5 pouce, 1/3 pouce et 1/4 pouce. À mesure que la taille diminue, sa largeur et sa hauteur réelles diminuent également en conséquence, affectant sa capacité à capturer la lumière et à générer des images.

Taille (pouces)

Largeur réelle mm	Hauteur réelle mm	Longueur diagonale
4/3"	18	13.5	22.5
1"	12.8	9.6	16
2/3"	8.8	6.6	11
1/1,8"	7.11	5.33	8.89
1/2"	6.4	4.8	8
1/2,5"	5.75	4.32	7.19
1/3"	4.8	3.6	6
1/4"	3.2	2.4	4

1.2 Interface du capteur d'image CMOS

Les types d'interface des capteurs d'image CMOS comprennent principalement MIPI, DVP et LVDS. L'interface MIPI est une interface série à haut débit utilisée pour transmettre des données d'image et des signaux de commande, avec les avantages d'une faible consommation d'énergie, d'une bande passante élevée et d'une forte capacité anti-interférence. L'interface DVP est une interface parallèle qui transmet simultanément des données d'image via plusieurs lignes de données. Elle est relativement lente, mais son coût est faible. L'interface LVDS est une interface série différentielle utilisée pour transmettre des données d'image à haut débit, adaptée à la transmission longue distance et aux applications à haut débit.

1,3 pixels

Le pixel est l'unité de base du capteur d'image, qui détermine la résolution et la clarté de l'image. En règle générale, plus le pixel est élevé, plus la résolution de l'image est élevée et plus la capacité à exprimer les détails est forte. Cependant, un pixel trop élevé peut également entraîner une augmentation du bruit de l'image et une réduction des capacités de traitement de l'image.

2.Lentille

2.1Explication détaillée des paramètres des lentilles optiques

EFL (Effective Focal Length) Distance focale effective

Distance entre le centre de l'objectif et le point focal. La distance focale de l'image fait référence à la distance entre la surface principale de l'image (surface principale arrière) et le point focal de l'image (point focal arrière) ; la distance focale de l'objet fait référence à la distance entre la surface principale de l'objet (surface principale avant) et le point focal de l'objet (point focal avant).

●Remarques : une distance focale trop courte entraînera un champ de vision trop large, ce qui rendra difficile le contrôle de la distorsion et de l'angle de lumière principal, un faible éclairage relatif, une courbure importante de l'objectif et une aberration difficile à corriger. Si la distance focale est trop longue, l'objectif sera trop long, ce qui n'est pas propice à la miniaturisation du système, et le champ de vision sera trop petit pour répondre aux besoins de l'utilisateur.

TTL (Total Track Length) Longueur totale de l'objectif

La longueur optique totale fait référence à la distance entre la première surface de la lentille et la surface de l'image. La longueur totale du mécanisme fait référence à la distance entre la face d'extrémité du barillet de l'objectif et la surface de l'image. Dans les produits d'objectif, elle fait généralement référence au mécanisme TTL.

BFL (Back Focal Length) Distance focale arrière optique

La distance entre la dernière surface de la lentille du système optique et la surface de l'image.

FFL (Front Focal Length) Distance focale avant optique

La distance entre la première surface de la lentille du système optique et la surface de l'objet.

●Remarque : il convient de la distinguer de la distance focale arrière du mécanisme (FBL, parfois confondu avec FFL, mais ici, elle fait spécifiquement référence à la distance focale arrière du mécanisme) ou de la distance focale de la bride.

Mécanisme FBL/FFL (Flange Focal Length) Distance focale arrière (distance focale de la bride)

La distance entre la dernière surface du mécanisme du groupe de lentilles et le plan de l'image.

FOV (Champ de vision) Champ de vision

Champ de vision maximal que l'objectif peut capturer. Le champ de vision peut être divisé en champ de vision diagonal (FOV-D), champ de vision horizontal (FOV-H) et champ de vision vertical (FOV-V). Le champ de vision diagonal est le plus grand, le champ de vision horizontal est le deuxième et le champ de vision vertical est le plus petit.

●Formule de calcul : FOV-H=2tan(H/2D), FOV-V=2tan(V/2D), FOV-D=2tan[sqrt(H²+V²)/2D], où H est la dimension horizontale, V est la dimension verticale et D est la distance entre le centre de l'objectif et l'objet.

F/NO. (Numéro F) Ouverture (Ouverture relative)

Le rapport entre la distance focale effective et le diamètre de la pupille d'entrée.

●Fonction : détermine la luminosité de l'objectif.

●Remarques : dans le but de garantir la même ouverture, plus la distance focale est courte, plus l'ouverture relative doit être petite. En général, F/#=2,8, mais F/#=3,2 pour la conception monopuce. Plus le F/# est petit, plus l'ouverture est grande.

RI (éclairage relatif) Éclairement relatif

Le rapport entre l’éclairage central et l’éclairage périphérique.

●Remarques : un éclairage relatif trop faible se manifeste par un centre de l'image plus clair et un environnement plus sombre, ce qui est un phénomène de vignettage. Un éclairage relatif trop faible peut également entraîner une distorsion des couleurs. L'indice de rendu des couleurs est proportionnel au COS⁴ (semi-FOV). Lorsque l'indice de rendu des couleurs est < 50%, l'œil humain peut distinguer la différence. Dans les cas graves, le phénomène de « coin manquant » apparaîtra avec les quatre coins de l'image complètement noirs. Par conséquent, l'exigence de base pour l'indice de rendu des couleurs est RI > 50%.

CRA (angle du rayon principal) Angle du rayon principal

L'angle du rayon principal est l'angle entre le rayon principal et le rayon parallèle. Le rayon principal est le rayon émis depuis le bord de l'objet, passant par le centre du diaphragme d'ouverture et atteignant finalement le bord de l'image.

● Remarques : un angle d'émission de rayon principal inapproprié entraînera un vignettage important, une diminution du contraste et une dominante de couleur.

Fonction de transfert de modulation (MTF) 

Fonction de transfert de modulation optique La modulation est le rapport entre la lumière la plus brillante moins la lumière la plus sombre et la lumière la plus brillante plus la lumière la plus sombre. Le résultat M est le contraste de la lumière.

● Remarque : la formule de calcul requise pour la MTF du capteur est la suivante : résolution pleine fréquence du capteur = 1 000/2,8/2 = 179 lp/mm (taille de pixel de 2,8 µm) ou 1/(2 × taille de pixel). La résolution correspond au nombre de paires de lignes résolubles par mm, en unités de lp/mm.

Ligne de balayage de ligne TV

Le nombre de lignes résolubles dans l'image horizontale de l'écran peut être converti par résolution. Ligne TV = lp/mm × 2 × largeur du capteur.

 Flare/Fantôme

Désigne l'image miniature ou floue opposée formée par la diffusion aléatoire de la lumière sur le plan image dans un système optique, c'est-à-dire le faisceau non imageant dans le système optique.

Ces paramètres déterminent conjointement les performances et le domaine d'application de la lentille optique. Lors de la sélection et de l'utilisation d'une lentille optique, ces paramètres doivent être pris en compte de manière exhaustive en fonction des scénarios d'application et des exigences spécifiques.

Il s'agit d'un paramètre sur un objectif à focale fixe :

16 mm : distance focale 16 mm

IR : lentille infrarouge

1/2'': taille de la cible 1/2''

5MP : résolution de l'objectif, 500w pixels

F4.0 : également écrit F/4.0, coefficient d'ouverture, ouverture 4.0, distance focale/ouverture ; dans d'autres conditions inchangées, plus le coefficient d'ouverture est petit, plus le flux lumineux est grand et plus l'image est lumineuse.

Taille de la surface cible : correspond à la taille du capteur et ne peut pas être inférieure à la taille du capteur. Si elle est plus petite que la taille du capteur, il y aura des coins sombres.

Distance focale : La distance focale d'un objectif à focale fixe est constante ; plus la lentille convexe est convexe, plus la distance focale est petite ; plus la lentille convexe est plate, plus la distance focale est grande. Un objectif zoom modifie la distance focale de l'objectif en modifiant la position relative de la lentille à l'intérieur de l'objectif. La distance focale de l'objectif est définie comme la distance entre le centre optique de l'objectif et le capteur d'image (ou le plan du film) de l'appareil photo lors de la mise au point à l'infini. Dans certains cas, la distance de l'image est équivalente à la distance focale.

Valeur d'ouverture : F1,4, F2,0, F2,8, F4,0, F5,6, F8,0…, la suivante est 1,4 fois (racine carrée de 2) de la précédente, et le flux lumineux est la moitié du précédent.

2.2 L'influence de la distance focale et de l'ouverture de l'objectif sur la profondeur de champ

Lorsque l'ouverture reste inchangée, la distance focale de l'objectif est inversement proportionnelle à la profondeur de champ :

Plus la distance focale est grande, plus la profondeur de champ est faible.

Plus la distance focale est petite, plus la profondeur de champ est grande

Lorsque la distance focale reste inchangée, la taille de l'ouverture est inversement proportionnelle à la profondeur de champ :

Plus l'ouverture est grande, plus la profondeur de champ est grande

Plus l'ouverture est petite, plus la profondeur de champ est grande

2.3 Interface de l'objectif

Interface filetée

Il est divisé en monture C et monture CS, la différence est que la distance de la bride (la distance entre la base de montage de l'objectif et la mise au point) est différente, c'est-à-dire que la distance entre le bas de l'objectif et le capteur est différente.

La distance de bride de la monture C est de 17,526 mm, tandis que celle de la monture CS est de 12,5 mm.

Selon le diamètre de l'interface, il peut être divisé en M12, M42, etc. M12 fait référence au diamètre de l'interface de 12 mm.

Support de batterie

Généralement utilisé dans les appareils photo reflex. Il est divisé en monture E et monture EF, et la différence est également que la distance de bride est différente.

2.4 Longueur totale de l'objectif TTL

La longueur optique totale fait référence à la distance entre la première surface de la lentille et le plan de l'image.

La longueur totale du mécanisme fait référence à la distance entre la face d'extrémité du barillet de l'objectif et le plan de l'image

Lors du changement d’objectif, vérifiez si la longueur totale de l’objectif est appropriée.

Le TTL affecte la position d'installation. Lorsque le TTL est trop long, le manchon peut ne pas être assez long, ce qui entraîne un échec d'installation ; cette situation s'est produite lorsque nous avons changé d'objectif.

Voici la spécification d'un objectif, TTL = 16 mm.

TTL : Longueur optique totale, la distance entre la première surface de la lentille et le plan de l'image

TFL : Longueur totale de l'objectif/longueur totale du mécanisme, la distance entre l'extrémité du barillet de l'objectif et le plan de l'image

EFL : Distance focale effective

F/NO : taille de l'ouverture

FBL : Mécanisme de mise au point arrière (distance focale de la bride), distance entre la dernière surface du mécanisme du groupe de lentilles et le plan de l'image

BFL (Back Focal Length) : Distance focale arrière optique, distance entre la dernière surface de l'objectif et le plan de l'image

Champ de vision : Champ de vision horizontal, Champ de vision vertical, Champ de vision diagonal

Chef Ray Agnle : angle de l'incident principal

Filetage : taille de vis, diamètre M8 8 mm, pas de filetage P0,35 0,35 mm

Construction : Structure, 4G+IR+Métal, 4 verres 4 lentilles en verre, filtre infrarouge, boîtier en métal

Résolution : Résolution, LP/mm, Paires de lignes par millimètre, paires de lignes par millimètre ; par exemple, 10 lp/mm signifie qu'il y a 10 paires de lignes noires et blanches sur une longueur de 1 mm, et il y a 20 lignes noires et blanches au total, donc la largeur de chaque ligne est de 1/20 = 0,05 mm

Champ de vision FOV 2,5

Le champ de vision est affecté par la taille de l'ouverture ; pour le même objectif, plus l'ouverture est grande, plus le champ de vision est grand, et plus l'ouverture est petite, plus le champ de vision est petit.

L'influence entre le champ de vision, l'ouverture et la profondeur de champ.

Plus le champ de vision est grand, plus l'image est petite à la même distance et plus la profondeur de champ est faible.

2.6 Distance focale équivalente

Lorsque la taille capturée par le capteur actuel + l'objectif actuel est la même que la taille capturée par l'appareil photo plein format + l'objectif, c'est-à-dire lorsque le champ de vision est le même, quelle est la distance focale de l'objectif lors de la prise de vue avec un appareil photo plein format ? Il s'agit de la distance focale équivalente, c'est-à-dire de la distance focale de l'objectif utilisée pour capturer une image avec le même champ de vision avec un appareil photo plein format.

2.7 Ouverture

L'ouverture affecte la quantité de lumière qui entre. Plus l'ouverture est grande, plus la lumière entre et plus l'image est lumineuse.

L'ouverture affecte la profondeur de champ. Plus l'ouverture est grande, plus la profondeur de champ est réduite.

Lors du choix d'un objectif, vous devez équilibrer la quantité de lumière entrant et la profondeur de champ en fonction de la scène et choisir un objectif avec une ouverture appropriée.

L'inverse de l'ouverture relative (f'/D) est appelé le nombre F, également appelé numéro d'ouverture, enregistré comme F/….

La quantité de lumière entrant est inversement proportionnelle au carré du nombre F, c'est-à-dire que la quantité de lumière entrant dans l'ouverture F4.0 est la moitié de celle du F2.8, et le temps d'exposition doit être doublé.

3. Principe d'imagerie par lentille

Distance de l'image v : distance entre l'objectif et le capteur

Distance de l'objet u : distance de l'objet à la lentille

Distance focale f : paramètre de distance focale de l'objectif ; objectif à focale fixe, distance focale fixe ; objectif zoom, distance focale variable

Autofocus et mise au point automatique : autofocus AF, distance focale inchangée, réglage de la distance de l'image et de la distance de l'objet (principalement la distance de l'image) ; zoom autofocus, réglage de la distance focale, de la distance de l'objet et de la distance de l'image inchangées

3.1 Principe d'imagerie par lentille convexe

Le principe d'imagerie par lentille convexe fait référence à l'imagerie utilisant le principe de réfraction de la lumière.

u>2f, f

u=2f=v : image réelle inversée et égale

f <u 2f : image réelle inversée et agrandie (projecteur)

Formule d'imagerie : 1/u + 1/v = 1/f, c'est seulement lorsque cette condition est remplie qu'une image claire peut être formée.

Dans les appareils photo, généralement u >>> v, la distance objet est beaucoup plus grande que la distance image. Par conséquent, dans le processus AF, une petite modification de la distance image v peut entraîner une grande modification de la distance objet u. Par conséquent, la distance poussée par le VCM est généralement très courte, mais elle peut contrôler une large plage d'images claires.

Taille de l'image :

Lorsque f reste inchangé, la distance de l'image v augmente, la distance de l'objet u diminue et l'image devient plus grande (u+v diminue) (Lorsque l'AF VCM est poussé vers l'extérieur, le point clair est plus proche et l'image de l'objet devient plus grande)

Lorsque f reste inchangé, la distance de l'image v diminue, la distance de l'objet u augmente et l'image devient plus petite (u+v augmente)

Si vous passez à un objectif avec une distance focale plus longue, la distance de l'image reste inchangée et la distance de l'objet doit également être réduite ; si vous ne souhaitez pas réduire la distance de l'objet, vous devez réduire la distance de l'image.

3.2 L'influence de différentes lumières sur la distance focale

La lumière de différentes longueurs d'onde a des vitesses de propagation et des indices de réfraction différents dans le milieu, de sorte que la même lentille a des distances focales différentes pour la lumière de différentes longueurs d'onde. C'est ce qu'on appelle la dispersion, qui est identique à la dispersion d'un prisme. Plus la longueur d'onde est grande, plus la distance focale est grande.

La gamme de longueurs d'onde des différentes couleurs de la lumière visible :

Rouge : 770~622 nm ; Orange : 622~597 nm ; Jaune : 597~577 nm ; Vert : 577~492 nm ; Bleu, indigo : 492~455 nm ; Violet : 455~350 nm.

Examinons en détail le mécanisme de fonctionnement d'une caméra de surveillance : pendant la journée, lorsque la lumière est suffisante, la caméra capture et présente des images vidéo en couleur ; lorsque la nuit tombe, elle passe en mode infrarouge pour capturer des images de nuit. Il convient de noter que pendant ce processus de commutation IR CUT (filtre de coupure infrarouge), la mise au point de la caméra s'ajuste souvent en raison des changements de nature de la lumière, ce qui rend nécessaire une nouvelle mise au point pour garantir la clarté de l'image.

Afin de répondre aux besoins de surveillance ininterrompue par tous les temps, de nombreux endroits ont mis en avant des exigences plus élevées en matière de performances des caméras - non seulement pour pouvoir effectuer parfaitement les tâches de surveillance pendant la journée, mais aussi pour fournir des images claires et de haute qualité la nuit. Ces dernières années, avec la popularité généralisée des caméras et des éclairages infrarouges, ainsi que la baisse progressive des prix des caméras jour et nuit et des caméras couleur haute définition, les fabricants d'objectifs ont inauguré des opportunités de marché sans précédent. C'est dans ce contexte que les objectifs de caméra de surveillance IR (infrarouge) ont vu le jour.

Les lentilles IR, qui sont des lentilles conçues spécifiquement pour la surveillance infrarouge, utilisent des matériaux en verre optique uniques et combinent des concepts de conception optique de pointe pour éliminer avec succès le problème du décalage de la lumière visible et de la lumière infrarouge sur le plan focal. Cela signifie que la lumière visible et la lumière infrarouge peuvent être focalisées sur le même plan dans l'objectif, garantissant que toutes les images peuvent présenter une excellente clarté. De plus, les lentilles IR utilisent également une technologie de revêtement multicouche spéciale pour améliorer considérablement la transmission de la lumière infrarouge. Par conséquent, les caméras utilisant des lentilles IR peuvent non seulement atteindre une distance de surveillance plus longue lors de la surveillance de nuit, mais également apporter de meilleurs effets de surveillance.

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