[실용적인 공유] 이 글은 카메라 모듈 CMOS 이미지 센서(Sensor)와 렌즈를 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

1.CMOS 이미지 센서 (감지기)

1.1 센서 크기

센서 크기는 일반적으로 대각선 길이를 인치로 표현한 광감응 영역의 크기를 측정하는 주요 지표입니다. 종횡비는 일반적으로 4:3이지만 역사적 이유로 센서의 16mm는 1인치로 정의됩니다. 센서 크기가 클수록 빛을 포착하는 능력이 강해져 더 높은 품질의 이미지를 생성합니다.

일반적인 센서 크기는 4/3인치, 1인치, 2/3인치, 1/1.8인치, 1/2인치, 1/2.5인치, 1/3인치, 1/4인치입니다. 크기가 작아짐에 따라 실제 너비와 높이도 그에 따라 줄어들어 빛을 포착하고 이미지를 생성하는 능력에 영향을 미칩니다.

크기(인치)

실제 너비 mm	실제 높이 mm	대각선 길이
4/3인치	18	13.5	22.5
1"	12.8	9.6	16
2/3인치	8.8	6.6	11
1/1.8인치	7.11	5.33	8.89
1/2인치	6.4	4.8	8
1/2.5인치	5.75	4.32	7.19
1/3인치	4.8	3.6	6
1/4인치	3.2	2.4	4

1.2 CMOS 이미지 센서 인터페이스

CMOS 이미지 센서의 인터페이스 유형은 주로 MIPI, DVP 및 LVDS를 포함합니다. MIPI 인터페이스는 이미지 데이터와 제어 신호를 전송하는 데 사용되는 고속 직렬 인터페이스로, 낮은 전력 소모, 높은 대역폭 및 강력한 간섭 방지 기능의 장점이 있습니다. DVP 인터페이스는 여러 데이터 라인을 통해 이미지 데이터를 동시에 전송하는 병렬 인터페이스입니다. 비교적 느리지만 비용은 낮습니다. LVDS 인터페이스는 장거리 전송 및 고속 애플리케이션에 적합한 고속 이미지 데이터를 전송하는 데 사용되는 차등 직렬 인터페이스입니다.

1.3픽셀

픽셀은 이미지 센서의 기본 단위로, 이미지의 해상도와 선명도를 결정합니다. 일반적으로 픽셀이 높을수록 이미지 해상도가 높아지고 세부 사항을 표현하는 능력이 더 강해집니다. 그러나 픽셀이 너무 높으면 이미지 노이즈가 증가하고 이미지 처리 기능이 저하될 수도 있습니다.

2. 렌즈

2.1광학 렌즈 매개변수에 대한 자세한 설명

EFL (Effective Focal Length) 유효 초점 거리

렌즈 중심에서 초점까지의 거리입니다. 이미지 초점 거리는 이미지 주 표면(후면 주 표면)에서 이미지 초점(후면 초점)까지의 거리를 말합니다. 대상 초점 거리는 대상 주요 표면(전면 주 표면)에서 대상 초점(전면 초점)까지의 거리를 말합니다.

●주의: 초점거리가 너무 짧으면 시야가 넓어져 왜곡과 주광각을 제어하기 어렵고, 상대조도가 낮고, 렌즈 굽힘이 심하고, 수차를 보정하기 어렵습니다. 초점거리가 너무 길면 렌즈가 너무 길어 시스템 소형화에 도움이 되지 않으며 시야가 너무 작아 사용자 요구를 충족할 수 없습니다.

TTL(Total Track Length) 렌즈의 총 길이

총 광학 길이는 렌즈의 첫 번째 표면에서 이미지 표면까지의 거리를 말합니다. 메커니즘의 총 길이는 렌즈 배럴의 끝면에서 이미지 표면까지의 거리를 말합니다. 렌즈 제품에서는 일반적으로 메커니즘 TTL을 말합니다.

BFL(Back Focal Length) 광학적 백포컬 길이

광학 시스템의 렌즈 마지막 표면부터 이미지 표면까지의 거리입니다.

FFL(Front Focal Length) 광학 전면 초점 거리

광학 시스템의 렌즈 첫 번째 표면부터 물체 표면까지의 거리입니다.

●주의: 메커니즘 백초점거리(FBL, 때로는 FFL과 섞이기도 하지만 여기서는 구체적으로 메커니즘 백초점거리를 지칭함) 또는 플랜지 초점거리와 구별해야 합니다.

FBL/FFL (플랜지 초점거리) 기구 후면 초점거리 (플랜지 초점거리)

렌즈 그룹의 마지막 메커니즘 표면부터 이미지 평면까지의 거리입니다.

FOV (Field Of View) 시야

렌즈가 포착할 수 있는 최대 시야. 시야는 대각선 시야(FOV-D), 수평 시야(FOV-H), 수직 시야(FOV-V)로 나눌 수 있습니다. 대각선 시야가 가장 크고, 수평 시야가 두 번째이며, 수직 시야가 가장 작습니다.

●계산 공식: FOV-H=2tan(H/2D), FOV-V=2tan(V/2D), FOV-D=2tan[sqrt(H²+V²)/2D], 여기서 H는 수평 치수, V는 수직 치수, D는 렌즈 중심에서 물체까지의 거리입니다.

F/NO. (F-Number) 조리개 (상대 조리개)

유효 초점 거리와 입사동공 직경의 비율입니다.

●기능 : 렌즈의 밝기를 결정합니다.

●비고: 동일한 조리개를 보장한다는 전제 하에 초점 거리가 짧을수록 상대 조리개는 작아야 합니다. 일반적으로 F/#=2.8이지만 단일 칩 설계의 경우 F/#=3.2입니다. F/#가 작을수록 조리개가 커집니다.

RI(Relative Illumination) 상대조도

중앙 조명과 주변 조명의 비율.

●참고: 상대 조도가 너무 낮으면 이미지의 중심이 더 밝고 주변은 더 어둡게 나타나는 비네팅 현상이 나타납니다. 상대 조도가 너무 낮으면 색상 왜곡이 발생할 수도 있습니다. RI는 COS⁴(semi-FOV)에 비례합니다. RI < 50%일 때 인간의 눈은 차이를 구별할 수 있습니다. 심각한 경우 "모서리 누락" 현상이 나타나 그림의 네 모서리가 모두 완전히 검은색이 됩니다. 따라서 RI의 기본 요구 사항은 RI > 50%입니다.

CRA(Chief Ray Angle) Chief Ray Angle

주광선 각도는 주광선과 평행선 사이의 각도입니다. 주광선은 물체의 가장자리에서 방출되어 조리개 조리개 중심을 통과하고 마지막으로 이미지의 가장자리에 도달하는 광선입니다.

● 참고사항: 주광선 방출 각도가 부적절하면 심각한 비네팅, 대비 감소 및 색상 캐스트가 발생합니다.

MTF(변조 전달 함수) 

광 변조 전달 함수 변조는 가장 밝은 빛에서 가장 어두운 빛을 뺀 것과 가장 밝은 빛에 가장 어두운 빛을 더한 것의 비율입니다. 결과 M은 빛의 대비입니다.

● 참고: 센서 MTF에 필요한 계산 공식은 센서 전 주파수 분해능 = 1000/2.8/2 = 179lp/mm(2.8um 픽셀 크기) 또는 1/(2×픽셀 크기)입니다. 분해능은 lp/mm 단위로 1mm당 분해 가능한 라인 쌍의 수입니다.

TV-라인 주사선

화면의 수평 이미지에서 분해 가능한 라인의 수는 해상도로 변환할 수 있습니다. TV-Line = lp/mm×2×센서 너비.

 플레어/고스트

광학 시스템에서 영상 평면에 무작위로 빛이 산란되어 형성되는 반대의 소형 또는 안개 같은 영상, 즉 광학 시스템에서의 비결상 빔을 말합니다.

이러한 매개변수는 광학 렌즈의 성능과 적용 범위를 공동으로 결정합니다. 광학 렌즈를 선택하고 사용할 때 이러한 매개변수는 특정 적용 시나리오와 요구 사항에 따라 종합적으로 고려되어야 합니다.

이는 고정 초점 렌즈의 매개변수입니다.

16mm : 초점거리 16mm

IR : 적외선 렌즈

1/2'': 대상 크기 1/2''

5MP: 렌즈 해상도, 500W 픽셀

F4.0: F/4.0, 조리개 계수, 4.0 조리개, 초점거리/조리개로도 표기됩니다. 다른 조건이 변경되지 않는 한, 조리개 계수가 작을수록 광속이 커지고 이미지가 더 밝아집니다.

대상 표면 크기: 센서 크기에 해당하며 센서 크기보다 작을 수 없습니다. 센서 크기보다 작으면 모서리가 어두워집니다.

초점 거리: 고정 초점 렌즈의 초점 거리는 일정합니다. 볼록 렌즈가 더 볼록할수록 초점 거리는 더 작아지고, 볼록 렌즈가 더 평평할수록 초점 거리는 더 커집니다. 줌 렌즈는 렌즈 내부에서 렌즈의 상대적 위치를 변경하여 렌즈의 초점 거리를 변경합니다. 렌즈의 초점 거리는 무한대에 초점을 맞출 때 렌즈의 광학 중심과 카메라의 이미지 센서(또는 필름 평면) 사이의 거리로 정의됩니다. 어떤 경우에는 이미지 거리가 초점 거리와 동일합니다.

조리개 값은 F1.4, F2.0, F2.8, F4.0, F5.6, F8.0…, 다음은 이전 값의 1.4배(2의 제곱근)이고, 광속은 이전 값의 절반입니다.

2.2 렌즈 초점거리와 조리개가 피사계 심도에 미치는 영향

조리개가 변하지 않을 경우 렌즈의 초점 거리는 피사계 심도에 반비례합니다.

초점거리가 클수록 피사계 심도는 얕아집니다.

초점거리가 작을수록 피사계 심도는 깊어집니다.

초점 거리가 변하지 않을 경우 조리개 크기는 피사계 심도에 반비례합니다.

조리개가 클수록 피사계 심도가 깊어집니다.

조리개가 작을수록 피사계 심도는 깊어집니다.

2.3 렌즈 인터페이스

스레드 인터페이스

C마운트와 CS마운트로 나뉘는데, 차이점은 플랜지 거리(렌즈 장착베이스에서 초점까지의 거리)가 다르다는 것입니다. 즉, 렌즈 밑면과 센서 사이의 거리가 다릅니다.

C-마운트의 플랜지 거리는 17.526mm인 반면, CS-마운트의 플랜지 거리는 12.5mm입니다.

인터페이스 직경에 따라 M12, M42 등으로 나눌 수 있으며, M12는 12mm의 인터페이스 직경을 말합니다.

배터리 마운트

일반적으로 SLR 카메라에 사용됩니다. E-mount와 EF-mount로 나뉘며, 차이점은 플랜지 거리가 다르다는 것입니다.

2.4 총 렌즈 길이 TTL

전체 광학 길이는 렌즈의 첫 번째 표면에서 이미지 평면까지의 거리를 말합니다.

기구의 총 길이는 렌즈 배럴의 끝면에서 이미지 평면까지의 거리를 말합니다.

렌즈를 교체할 때, 렌즈의 전체 길이가 적절한지 고려해 보세요.

TTL은 설치 위치에 영향을 미칩니다. TTL이 너무 길면 슬리브가 충분히 길지 않아 설치에 실패할 수 있습니다. 이 상황은 렌즈를 교체했을 때 발생했습니다.

이는 TTL = 16mm 렌즈의 사양입니다.

TTL : 전체 광학 길이, 렌즈의 첫 번째 표면에서 이미지 평면까지의 거리

TFL : 전체 렌즈 길이/전체 메커니즘 길이, 렌즈 배럴 끝에서 이미지 평면까지의 거리

EFL: 유효 초점 거리

F/NO: 조리개 크기

FBL: 메커니즘 백포커스(플랜지 초점거리), 렌즈군의 마지막 메커니즘 표면부터 이미지 평면까지의 거리

BFL(Back Focal Length) : 광학적 후방 초점 거리, 렌즈의 마지막 표면부터 상면까지의 거리

FOV : 수평 FOV, 수직 FOV, 대각선 FOV

레이 아그넬 대장: 주요 사건 각도

나사산 : 나사 크기, M8 직경 8mm, P0.35 나사산 피치 0.35mm

구성: 구조, 4G+IR+금속, 4개의 유리 4개의 유리 렌즈, 적외선 필터, 금속 하우징

해상도: 해상도, LP/mm, 밀리미터당 선 쌍, 밀리미터당 선 쌍; 예를 들어 10 lp/mm는 1mm 길이에 10쌍의 흑백 선이 있고 총 20개의 흑백 선이 있으므로 각 선의 너비는 1/20 = 0.05mm입니다.

2.5 FOV 시야

FOV는 조리개 크기에 영향을 받습니다. 동일한 렌즈의 경우 조리개가 클수록 FOV도 커지고 조리개가 작을수록 FOV도 작아집니다.

시야, 조리개, 피사계 심도의 영향.

FOV가 클수록 같은 거리에서는 이미지가 더 작아지고 피사계 심도는 얕아집니다.

2.6 동등 초점 거리

현재 센서 + 현재 렌즈가 포착한 크기가 풀 프레임 카메라 + 렌즈가 포착한 크기와 같을 때, 즉 화각이 같을 때, 풀 프레임 카메라로 촬영할 때 렌즈의 초점 거리는 얼마인가? 이는 등가 초점 거리, 즉 풀 프레임 카메라로 동일한 화각으로 이미지를 촬영하는 데 사용된 렌즈의 초점 거리이다.

2.7 조리개

조리개는 들어오는 빛의 양에 영향을 미칩니다. 조리개가 클수록 들어오는 빛이 많아지고 이미지가 더 밝아집니다.

조리개는 피사계 심도에 영향을 미칩니다. 조리개가 클수록 피사계 심도는 작아집니다.

렌즈를 선택할 때에는 장면에 따라 들어오는 빛의 양과 피사계 심도를 균형 있게 조절하고, 적절한 조리개를 가진 렌즈를 선택해야 합니다.

상대 조리개(f'/D)의 역수를 F 번호라고 하며, 조리개 번호라고도 하며 F/…로 기록합니다.

들어오는 빛의 양은 F값의 제곱에 반비례합니다. 즉, F4.0 조리개로 들어오는 빛의 양은 F2.8의 절반이고, 노출 시간은 두 배가 필요합니다.

3. 렌즈 이미징 원리

이미지 거리 v: 렌즈에서 센서까지의 거리

물체거리 u: 물체에서 렌즈까지의 거리

초점거리 f: 렌즈 초점거리 매개변수; 고정초점렌즈, 고정초점거리; 줌렌즈, 가변초점거리

자동초점 및 자동초점: 자동초점 AF, 초점거리 변경 없음, 이미지 거리 및 대상 거리 조정(주로 이미지 거리); 자동초점 줌, 초점거리 조정, 대상 거리 및 이미지 거리 변경 없음

3.1 볼록렌즈 이미징 원리

볼록 렌즈의 영상 원리는 빛의 굴절 원리를 이용한 영상을 말합니다.

유 > 2f, f

u=2f=v: 반전되고 실제 이미지와 동일함

에프 <u 2f: 반전 및 확대된 실제 이미지(프로젝터)

영상 공식: 1/u + 1/v = 1/f, 이 조건이 충족될 때만 선명한 영상이 형성될 수 있습니다.

카메라에서 일반적으로 u >>> v, 대상 거리는 이미지 거리보다 훨씬 큽니다. 따라서 AF 프로세스에서 이미지 거리 v의 작은 변화는 대상 거리 u의 큰 변화를 일으킬 수 있습니다. 따라서 VCM이 밀어내는 거리는 일반적으로 매우 짧지만 큰 선명한 이미징 범위를 제어할 수 있습니다.

이미지 크기:

f가 변하지 않을 때, 상거리 v는 늘어나고, 대상물 거리 u는 줄어들어 상은 커진다(u+v가 감소) (AF VCM을 바깥쪽으로 밀면 선명한 점이 가까워지고 대상물 상은 커진다)

f가 변하지 않을 때, 상거리 v는 감소하고, 물체거리 u는 증가하며, 상은 작아진다(u+v가 증가한다)

초점거리가 더 긴 렌즈로 바꾸면 상거리는 변하지 않고 피사체와의 거리도 줄여야 합니다. 피사체와의 거리를 줄이고 싶지 않으면 상거리를 줄여야 합니다.

3.2 초점거리에 대한 다양한 빛의 영향

파장이 다른 빛은 매질에서 전파 속도와 굴절률이 다르므로 동일한 렌즈라도 파장이 다른 빛에 대해 초점 거리가 다릅니다. 이를 분산이라고 하며 프리즘의 분산과 같습니다. 파장이 길수록 초점 거리가 더 길어집니다.

가시광선의 다양한 색상의 파장 범위:

빨간색: 770~622nm; 주황색: 622~597nm; 노란색: 597~577nm; 초록색: 577~492nm; 파란색, 남색: 492~455nm; 보라색: 455~350nm.

감시 카메라의 작동 메커니즘에 대한 세부 사항을 살펴보겠습니다. 낮에는 빛이 충분할 때 카메라가 컬러 비디오 이미지를 캡처하여 제공하고, 밤이 되면 적외선 모드로 전환하여 야간 이미지를 캡처합니다. 이 IR CUT(적외선 차단 필터) 전환 프로세스 중에 카메라의 초점은 빛의 특성 변화로 인해 종종 조정되므로 사진의 선명도를 보장하기 위해 초점을 다시 맞춰야 한다는 점에 유의해야 합니다.

모든 날씨와 중단 없는 모니터링의 요구를 충족하기 위해 많은 곳에서 카메라 성능에 대한 더 높은 요구 사항을 제시했습니다. 낮 동안 모니터링 작업을 훌륭하게 완료할 수 있을 뿐만 아니라 밤에도 선명하고 고품질의 이미지를 제공해야 합니다. 최근 몇 년 동안 적외선 카메라와 적외선 조명의 광범위한 인기와 낮과 밤 카메라 및 고화질 컬러 카메라의 가격이 점차 하락함에 따라 렌즈 제조업체는 전례 없는 시장 기회를 열었습니다. 이러한 맥락에서 IR(적외선) 감시 카메라 렌즈가 등장했습니다.

IR 렌즈는 적외선 감시를 위해 특별히 설계된 렌즈로, 고유한 광학 유리 소재를 사용하고 최첨단 광학 설계 개념을 결합하여 초점 평면에서 가시광선과 적외선이 오프셋되는 문제를 성공적으로 제거합니다. 즉, 가시광선과 적외선이 모두 렌즈에서 동일한 평면에 초점을 맞출 수 있어 모든 이미지가 뛰어난 선명도를 제공할 수 있습니다. 또한 IR 렌즈는 특수 다층 코팅 기술을 사용하여 적외선의 투과율을 크게 개선합니다. 따라서 IR 렌즈를 사용하는 카메라는 야간 모니터링 시 더 긴 모니터링 거리를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 더 나은 모니터링 효과를 가져올 수 있습니다.

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