[Практический обмен] Эта статья поможет вам понять модуль камеры, датчик изображения CMOS (сенсор) и объектив.

1.КМОП-датчик изображения (Датчик)

1.1 Размер сенсора

Размер сенсора является ключевым показателем для измерения размера его светочувствительной области, обычно выражаемой в диагональной длине в дюймах. Соотношение сторон обычно составляет 4:3, но по историческим причинам 16 мм в сенсоре определяются как 1 дюйм. Чем больше размер сенсора, тем сильнее его способность улавливать свет, тем самым создавая более качественные изображения.

Распространенные размеры сенсора включают 4/3 дюйма, 1 дюйм, 2/3 дюйма, 1/1,8 дюйма, 1/2 дюйма, 1/2,5 дюйма, 1/3 дюйма и 1/4 дюйма. По мере уменьшения размера его фактическая ширина и высота также будут соответственно уменьшаться, что влияет на его способность улавливать свет и генерировать изображения.

Размер (дюймы)

Фактическая ширина мм	Фактическая высота мм	Длина диагонали
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 Интерфейс КМОП-датчика изображения

Типы интерфейсов датчиков изображения CMOS в основном включают MIPI, DVP и LVDS. Интерфейс MIPI — это высокоскоростной последовательный интерфейс, используемый для передачи данных изображения и сигналов управления, с преимуществами низкого энергопотребления, высокой пропускной способности и сильной помехоустойчивости. Интерфейс DVP — это параллельный интерфейс, который передает данные изображения одновременно по нескольким линиям данных. Он относительно медленный, но его стоимость низкая. Интерфейс LVDS — это дифференциальный последовательный интерфейс, используемый для передачи высокоскоростных данных изображения, подходящий для передачи на большие расстояния и высокоскоростных приложений.

1.3Пиксель

Пиксель — это базовая единица датчика изображения, которая определяет разрешение и четкость изображения. В общем, чем выше пиксель, тем выше разрешение изображения и тем сильнее способность отображать детали. Однако слишком высокий пиксель может также привести к увеличению шума изображения и снижению возможностей обработки изображения.

2.Линза

2.1Подробное объяснение оптических параметров линз

EFL (Эффективное фокусное расстояние) Эффективное фокусное расстояние

Расстояние от центра объектива до точки фокусировки. Фокусное расстояние изображения относится к расстоянию от главной поверхности изображения (задней главной поверхности) до точки фокусировки изображения (задней точки фокусировки); фокусное расстояние объекта относится к расстоянию от главной поверхности объекта (передней главной поверхности) до точки фокусировки объекта (передней точки фокусировки).

●Примечания: Слишком короткое фокусное расстояние приведет к большому полю зрения, что затруднит контроль искажений и основного угла освещения, низкой относительной освещенности, сильному изгибу линзы и сложной коррекции аберрации. Если фокусное расстояние слишком велико, линза будет слишком длинной, что не способствует миниатюризации системы, а поле зрения будет слишком маленьким для удовлетворения потребностей пользователя.

TTL (общая длина дорожки) Общая длина объектива

Общая оптическая длина относится к расстоянию от первой поверхности линзы в объективе до поверхности изображения. Общая длина механизма относится к расстоянию от торца тубуса объектива до поверхности изображения. В изделиях с линзами это, как правило, относится к механизму TTL.

BFL (заднее фокусное расстояние) Оптическое заднее фокусное расстояние

Расстояние от последней поверхности линзы в оптической системе до поверхности изображения.

FFL (Переднее фокусное расстояние) Оптическое переднее фокусное расстояние

Расстояние от первой поверхности линзы в оптической системе до поверхности объекта.

●Примечание: его следует отличать от заднего фокусного расстояния механизма (FBL, иногда его путают с FFL, но здесь он конкретно относится к заднему фокусному расстоянию механизма) или фокусному расстоянию рабочего отрезка.

Механизм FBL/FFL (рабочий отрезок) Заднее фокусное расстояние (рабочий отрезок)

Расстояние от поверхности последнего механизма группы линз до плоскости изображения.

FOV (Поле зрения) Поле зрения

Максимальное поле зрения, которое может охватить объектив. Поле зрения можно разделить на диагональное поле зрения (FOV-D), горизонтальное поле зрения (FOV-H) и вертикальное поле зрения (FOV-V). Диагональное поле зрения является наибольшим, горизонтальное поле зрения является вторым, а вертикальное поле зрения является наименьшим.

●Формула расчета: FOV-H=2tan(H/2D), FOV-V=2tan(V/2D), FOV-D=2tan[sqrt(H²+V²)/2D], где H — горизонтальный размер, V — вертикальный размер, а D — расстояние от центра объектива до объекта.

F/NO. (Диафрагменное число) Диафрагма (Относительная диафрагма)

Отношение эффективного фокусного расстояния к диаметру входного зрачка.

●Функция: определяет яркость линзы.

●Примечания: При условии обеспечения одинаковой апертуры, чем короче фокусное расстояние, тем меньше должно быть относительное отверстие. Обычно F/#=2.8, но F/#=3.2 для однокристальной конструкции. Чем меньше F/#, тем больше апертура.

RI (Относительная освещенность) Относительная освещенность

Соотношение центральной освещенности к периферийной освещенности.

●Примечания: Слишком низкая относительная освещенность проявляется как более яркий центр изображения и более темное окружение, что является явлением виньетирования. Слишком низкая относительная освещенность также может вызвать искажение цвета. RI пропорционален COS⁴ (полу-FOV). Когда RI < 50%, человеческий глаз может различить разницу. В тяжелых случаях проявится явление «отсутствующего угла», когда все четыре угла изображения будут полностью черными. Поэтому основное требование к RI — RI> 50%.

CRA (Главный угол луча) Главный угол луча

Угол главного луча — это угол между главным лучом и параллельным лучом. Главный луч — это луч, испускаемый краем объекта, проходящий через центр апертурной диафрагмы и, наконец, достигающий края изображения.

● Примечания: Неправильный угол испускания главного луча приведет к сильному виньетированию, снижению контрастности и цветовому оттенку.

MTF (Функция передачи модуляции) 

Функция передачи оптической модуляции Модуляция — это отношение самого яркого света минус самый темный свет к самому яркому свету плюс самый темный свет. Результат M — это контрастность света.

● Примечание: Требуемая формула расчета для MTF датчика: Разрешение полной частоты датчика = 1000/2,8/2 = 179 пар линий/мм (размер пикселя 2,8 мкм) или 1/(2×размер пикселя). Разрешение — это количество разрешимых пар линий на 1 мм, в единицах пар линий/мм.

TV-линия, строка сканирования

Количество разрешимых линий в горизонтальном изображении экрана можно преобразовать в разрешение. ТВ-линия = лп/мм×2×Ширина сенсора.

 Вспышка/Призрак

Относится к противоположному миниатюрному или туманному изображению, образованному случайным рассеянием света на плоскости изображения в оптической системе, то есть к неотображающему лучу в оптической системе.

Эти параметры совместно определяют производительность и область применения оптической линзы. При выборе и использовании оптической линзы эти параметры необходимо всесторонне учитывать в соответствии с конкретными сценариями и требованиями применения.

Это параметр объектива с фиксированным фокусом:

16 мм: фокусное расстояние 16 мм

ИК: инфракрасный объектив

1/2'': целевой размер 1/2''

5 МП: разрешение объектива, 500 пикселей

F4.0: также обозначается как F/4.0, коэффициент светосилы, диафрагма 4.0, фокусное расстояние/диафрагма; при прочих неизменных условиях, чем меньше коэффициент светосилы, тем больше световой поток и ярче изображение.

Размер целевой поверхности: соответствует размеру сенсора и не может быть меньше размера сенсора. Если меньше размера сенсора, будут темные углы.

Фокусное расстояние: Фокусное расстояние объектива с фиксированным фокусом постоянно; чем более выпуклая линза, тем меньше фокусное расстояние; чем более плоская линза, тем больше фокусное расстояние. Зум-объектив изменяет фокусное расстояние объектива, изменяя относительное положение линзы внутри объектива. Фокусное расстояние объектива определяется как расстояние между оптическим центром объектива и датчиком изображения (или плоскостью пленки) камеры при фокусировке на бесконечность. В некоторых случаях расстояние до изображения эквивалентно фокусному расстоянию.

Значение диафрагмы: F1.4, F2.0, F2.8, F4.0, F5.6, F8.0…, следующее в 1,4 раза (квадратный корень из 2) больше предыдущего, а световой поток составляет половину предыдущего.

2.2 Влияние фокусного расстояния объектива и диафрагмы на глубину резкости

При неизменной диафрагме фокусное расстояние объектива обратно пропорционально глубине резкости:

Чем больше фокусное расстояние, тем меньше глубина резкости.

Чем меньше фокусное расстояние, тем больше глубина резкости.

При неизменном фокусном расстоянии размер диафрагмы обратно пропорционален глубине резкости:

Чем больше диафрагма, тем больше глубина резкости.

Чем меньше диафрагма, тем больше глубина резкости.

2.3 Интерфейс объектива

Потоковый интерфейс

Он делится на C-mount и CS-mount, разница в том, что рабочий отрезок (расстояние от основания крепления объектива до фокуса) у них разный, то есть расстояние между нижней частью объектива и сеньором разное.

Расстояние между фланцами крепления C составляет 17,526 мм, а крепления CS — 12,5 мм.

В зависимости от диаметра интерфейса его можно разделить на М12, М42 и т. д. М12 относится к диаметру интерфейса 12 мм.

Крепление аккумулятора

Обычно используется в зеркальных камерах. Он делится на E-mount и EF-mount, а разница также в том, что у них разное расстояние от фланца.

2.4 Общая длина объектива TTL

Полная оптическая длина относится к расстоянию от первой поверхности линзы в объективе до плоскости изображения.

Общая длина механизма — это расстояние от торца оправы объектива до плоскости изображения.

При замене линз учитывайте, подходит ли вам общая длина линзы.

TTL влияет на положение установки. Если TTL слишком длинный, рукав может оказаться недостаточно длинным, что приведет к неудачной установке; такая ситуация произошла, когда мы меняли объектив.

Это спецификация объектива, TTL = 16 мм.

TTL: Полная оптическая длина, расстояние от первой поверхности линзы до плоскости изображения.

TFL: Общая длина объектива/общая длина механизма, расстояние от конца оправы объектива до плоскости изображения.

EFL: Эффективное фокусное расстояние

F/NO: Размер диафрагмы

FBL: Задний фокус механизма (рабочий отрезок), расстояние от последней поверхности механизма группы линз до плоскости изображения.

BFL (заднее фокусное расстояние): Оптическое заднее фокусное расстояние, расстояние от последней поверхности линзы до плоскости изображения.

FOV: Горизонтальный FOV, вертикальный FOV, диагональный FOV

Шеф Рэй Агл: Главный угол падения

Резьба: Размер винта, M8 диаметр 8 мм, P0.35 шаг резьбы 0.35 мм

Конструкция: Структура, 4G+ИК+Металл, 4 стеклянных линзы, инфракрасный фильтр, металлический корпус

Разрешение: Разрешение, пл/мм, пар линий на миллиметр, пар линий на миллиметр; например, 10 пл/мм означает, что на длине 1 мм имеется 10 пар черных и белых линий, а всего имеется 20 черных и белых линий, поэтому ширина каждой линии составляет 1/20 = 0,05 мм.

2.5 Поле зрения

На FOV влияет размер апертуры; для одного и того же объектива, чем больше апертура, тем больше FOV, и чем меньше апертура, тем меньше FOV.

Влияние поля зрения, диафрагмы и глубины резкости.

Чем больше поле зрения, тем меньше изображение на том же расстоянии и меньше глубина резкости.

2.6 Эквивалентное фокусное расстояние

Когда размер, захватываемый текущим датчиком + текущим объективом, такой же, как размер, захватываемый полнокадровой камерой + объективом, то есть когда поле зрения одинаковое, каково фокусное расстояние объектива при съемке полнокадровой камерой? Это эквивалентное фокусное расстояние, то есть фокусное расстояние объектива, используемого для захвата изображения с тем же полем зрения полнокадровой камерой.

2.7 Диафрагма

Диафрагма влияет на количество проникающего света. Чем больше диафрагма, тем больше света проникает и тем ярче изображение.

Диафрагма влияет на глубину резкости. Чем больше диафрагма, тем меньше глубина резкости.

При выборе объектива необходимо сбалансировать количество поступающего света и глубину резкости в зависимости от сцены, а также выбрать объектив с подходящей диафрагмой.

Обратная величина относительного отверстия (f'/D) называется числом F, также называемым диафрагменным числом, и обозначается как F/….

Количество попадающего света обратно пропорционально квадрату числа F, то есть количество света, попадающего в диафрагму F4.0, вдвое меньше, чем в диафрагму F2.8, а время экспозиции необходимо увеличить вдвое.

3. Принцип формирования изображения линзы

Расстояние изображения v: расстояние от объектива до сенсора

Расстояние до объекта u: расстояние от объекта до линзы

Фокусное расстояние f: параметр фокусного расстояния объектива; объектив с фиксированным фокусом, фиксированное фокусное расстояние; зум-объектив, переменное фокусное расстояние

Автофокусировка и автофокусировка: автофокусировка АФ, фокусное расстояние не изменено, регулировка расстояния до изображения и расстояния до объекта (в основном расстояния до изображения); автофокусировка зума, регулировка фокусного расстояния, расстояния до объекта и расстояния до изображения не изменены

3.1 Принцип формирования изображения с помощью выпуклой линзы

Принцип формирования изображения с помощью выпуклой линзы подразумевает получение изображения с использованием принципа преломления света.

у>2ф, ф

u=2f=v: перевернутое и равное действительное изображение

ф <u 2f: перевернутое и увеличенное действительное изображение (проектор)

Формула построения изображения: 1/u + 1/v = 1/f, только при соблюдении этого условия может быть сформировано четкое изображение.

В камерах, как правило, u >>> v, расстояние до объекта намного больше расстояния до изображения. Поэтому в процессе АФ небольшое изменение расстояния до изображения v может вызвать большое изменение расстояния до объекта u. Поэтому расстояние, проталкиваемое VCM, обычно очень короткое, но оно может контролировать большой диапазон четкого изображения.

Размер изображения:

Когда f остается неизменным, расстояние до изображения v увеличивается, расстояние до объекта u уменьшается, а изображение становится больше (u+v уменьшается) (когда AF VCM выдвигается наружу, четкая точка становится ближе, а изображение объекта становится больше)

Когда f остается неизменным, расстояние до изображения v уменьшается, расстояние до объекта u увеличивается, а изображение становится меньше (u+v увеличивается)

Если вы меняете объектив на объектив с большим фокусным расстоянием, расстояние до изображения остается неизменным, а расстояние до объекта также необходимо уменьшить; если вы не хотите уменьшать расстояние до объекта, необходимо уменьшить расстояние до изображения.

3.2 Влияние различного освещения на фокусное расстояние

Свет разной длины волны имеет разную скорость распространения и показатели преломления в среде, поэтому одна и та же линза имеет разные фокусные расстояния для света разной длины волны. Это называется дисперсией, что то же самое, что дисперсия призмы. Чем больше длина волны, тем больше фокусное расстояние.

Диапазон длин волн различных цветов видимого света:

Красный: 770~622 нм; Оранжевый: 622~597 нм; Желтый: 597~577 нм; Зеленый: 577~492 нм; Синий, индиго: 492~455 нм; Фиолетовый: 455~350 нм.

Давайте углубимся в детали механизма работы камеры видеонаблюдения: днем, когда достаточно света, камера снимает и выдает цветные видеоизображения; с наступлением ночи она переключается в инфракрасный режим для съемки ночных изображений. Стоит отметить, что во время этого процесса переключения IR CUT (фильтра инфракрасного излучения) фокус камеры часто корректируется из-за изменения характера света, что приводит к необходимости перефокусировки для обеспечения четкости изображения.

Чтобы удовлетворить потребности в непрерывном мониторинге в любую погоду, во многих местах предъявляются более высокие требования к производительности камер — не только для того, чтобы они могли отлично выполнять задачи мониторинга в течение дня, но и для того, чтобы они обеспечивали четкие и качественные изображения ночью. В последние годы, с широкой популярностью инфракрасных камер и инфракрасных фонарей, а также с постепенным снижением цен на дневные и ночные камеры и цветные камеры высокой четкости, производители объективов открыли беспрецедентные рыночные возможности. Именно в этом контексте появились ИК (инфракрасные) объективы для камер наблюдения.

ИК-объективы, которые специально разработаны для инфракрасного наблюдения, используют уникальные оптические стеклянные материалы и объединяют передовые концепции оптического дизайна для успешного устранения проблемы смещения видимого и инфракрасного света в фокальной плоскости. Это означает, что как видимый, так и инфракрасный свет могут быть сфокусированы в одной и той же плоскости в объективе, гарантируя, что все изображения могут иметь превосходную четкость. Кроме того, ИК-объективы также используют специальную технологию многослойного покрытия для значительного улучшения пропускания инфракрасного света. Таким образом, камеры с ИК-объективами могут не только достигать большего расстояния мониторинга при мониторинге ночью, но и обеспечивать лучшие эффекты мониторинга.

Для получения дополнительных знаний о модулях камеры, пожалуйста, следуйте Doozx. Если у вас есть соответствующие потребности в настройке модуля, вы можете связаться с нами!