光学镜头基本取像原理与技术

CCD size (2/3)
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CCD size (3/3)
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現今有能力量產 CCD 的公司只剩下：SONY、Philps、Kodak、 Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，相關技術和規格幾乎已由日 本廠商統一制訂。
畫素開口面積大小與線路 佈局精細度也是影響 CCD 尺寸的關鍵因素之一
• The shutter speed corresponds to the "exposure time" of the CCD chip. The exposure time controls the amount of light incident on the chip. Camera blooming (over-exposure) can be controlled by decreasing illumination or camera gain, or by increasing the shutter speed.
校正，避免此問題
Resolution (解析度)
• Resolution is the amount of object detail reproduced by the imaging system. Two CCD camera pixels are needed for each line-pair of resolution.
• f-number : the ratio of the focal length of an optical system to its clear aperture. For example, a 50mm focal length lens system with a clear aperture of 25mm is f/2.
• CMOS 對抗CCD的優勢在於成本低，耗電需求少，便於製 造，可以與影像處理電路同處於一個晶片上。但由於上述的 缺點，CMOS 只能在經濟型的數位相機市場中生存。
CCD vs. CMOS
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畫質 模組耗電量 模組成本 模組小型化 影像歪斜
CCD ◎～○ △～○
○
△～○ ◎
CMOS ○ ○
CCD
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• CCD (Charge Coupled Device ，感光耦合元件)為數 位相機中可記錄光線變化的半導體，通常以百萬 像素(megapixel)為單位。
• CCD上感光元件的表面具有儲存電荷的能力，並 以矩陣的方式排列。
• 當其表面感受到光線時，會將電荷反應在元件 上，整個CCD上的所有感光元件所產生的訊號， 就構成了一個完整的畫面。
f/# = F/D
θ
NA = n sinθ
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Depth of Field (DOF-景深)
The depth of field (DOF) of a lens is its ability to maintain a desired amount of image quality as the object is positioned closer to and further from best focus. DOF also applies to objects with depth, since high DOF lenses can image the whole object clearly.
例如：若選用1/2英吋之CCD鏡頭，
1. 以光學放大倍率為一倍時，其真實之視野範圍即為 高4.8mm，寬6.4mm。
2. 以光學放大倍率為四倍時，其真實之視野範圍即為 高1.2mm，寬1.6mm。
f-number (f/#) and Numerical aperture (NA)
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• NA: The sine of the vertex angle of the largest cone of meridional rays that can enter or leave an optical system (such as a lens or an optical fiber).
-第3章-
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基本取像原理與技術
Pixel, Gray Level
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• 『灰階影像』 (Gray-Level Image) 是指一個二維的光強度函數 f(x,y)，其中的x與y表示空間座標，而在任意點 f(x,y) 的值正比 於在該點影像的亮度，這個亮度值即是『灰度值』。
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Frame Rate vs. Shutter Speed
• The frame rate refers to the number of full frames (which may consist of two fields) composed in a second.
– For example, the Hitachi HV-C20 three-chip color camera has a frame rate of 30 frames/second (composed of two 1/60 second fields). In high-speed applications, it may be beneficial to choose a faster frame rate to acquire more "images" of the object as it moves.
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CCD
8bit grayscale
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Interlaced vs. Progressive Scan
• Conventional CCDs use interlaced scanning across the chip. The chip is divided into two fields: the odd field (rows 1, 3, 5..., etc.) and the even field (rows 2, 4, 6..., etc.). These fields are then integrated to produce a full frame.
最近和最遠的相差距離，有時稱為焦距 ․鏡頭的光圈值
深度
D在is不to同rti點on位：置失造真成是差影異像的在光鏡學頭誤放差大中，․鏡頭
Perspective Errors：也叫視差，這是傳
統鏡頭在不同距離會有放大倍率改變
的現象，較近物體比較遠物體產生較大 ․鏡頭
投射誤差。Telecentric 鏡頭已作光學
Line-Pair (lp/mm) = 1 / Spacing (mm) Line-Pair (lp) = 2 Pixels=camera resolution
Object Res (lp/mm) = PMAG x Camera Res (lp/mm)
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Contrast (對比)
○～◎ ○～◎
△～○
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設計 靈敏度 成本 解析度 雜訊比 耗能比
CCD
單一感光器
同樣面積下 高
線路品質影響良率 高
連結複雜度低 高
單一放大 低
需外加電壓 高
CMOS 感光器連結放大器
感光開口小 低
CMOS整合製程 低
低(新技術高)
百萬放大 高
直接放大 低
CCD攝影機各部參數定義
• 這個參數在決定放大倍率所得的FOV是重要的，注 意 大 部 分 類 比 式 攝 影 機 有 4:3(H:V) 的 比 例 (aspect ratio)。
一般市售CCD感光元件有效面積尺寸示意圖。
CCD size (1/3)
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1英吋 CCD Size = 對角線為 16mm 之對應面積 = 長 12.8mm ×寬 9.6mm (長寬比 4：3) 。
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1.感光元件大小(Sensor Size)： 2.主要放大倍率(PMAG)： 3.系統放大倍率： 4.解析度：Linepairs per millimeter (Ip/mm)： 5. Pixel Count： 6. F-Number (f/#)： 7. Depth of Field：
– For example, with a frame rate of 30 frames per second, each field takes 1/60 of a second to read
• The progressive scan CCD solves this problem by scanning the lines sequentially (rows 1, 2, 3, 4..., etc.). The progressive scan output has not been standardized so care should be taken when choosing hardware.
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% Contrast = (Imax – Imin )/( Imax + Imin) × 100
Field of View (FOV-視野)
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定義是感光元件大小和FOV的比例，此參數由鏡頭 決定。
Actual field of view(mm) = CCD camera device size(vertical × horizontal) Optical magnification
物體O，距原點S0，而成像於d，容許最大成像模糊直徑 c
景深計算
thin-lens equation
1+
1
=1
s − Df d (1+ c /(a − c)) f
1+
1
=1
s + Dr d (1− c /(a + c)) f
Df
=
cAs(s − f ) f 2 + cA(s − f )
Dr百度文库
=
cAs(s − f ) f 2 − cA(s − f )
• 然而我們可以將數位元影像 (Digital Image) 看作是一個矩陣，它 的行與列值便確定了影像中的一個點，而對應的矩陣元素就是 該點的灰度值。
• 這樣的數位元陣列元素稱為『影像元素』 (Image Elements) 或 『圖元』 (Pixel) ，其明亮度依量化值而訂出不同之灰階。
• 一般而言，灰階為2的冪次方，如28即表示有256個灰階，常用 的灰階影像為256個灰階。
CCD攝影機參數介紹
CCD與影像視野參數關係圖
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感光元件大小(Sensor Size)
• 攝影機感光元件有效面積尺寸，通常以水平大小表 示。
• 1英吋 CCD Size = 對角線為 16mm 之對應面積= 長 12.8mm ×寬 9.6mm (長寬比 4：3) 。
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影響影像品質相關參數與元件關係
影響影像品質主要參數
影響這個參數的元件
Resolution：解析度是一種影像系統能重 ․鏡頭 ․螢幕
新產生詳細影像能力的量測
․攝影機 ․影像擷取卡
Contrast：影像中物體和背景的陰影灰 階比較(對比強烈與否)
․鏡頭
․照明․攝影機
Depth of Field（DOF）：物體能看清楚的
• Reproducing object contrast is as important as reproducing object resolution.
• Not even a perfectly designed and manufactured lens can accurately reproduce an object’s detail and contrast.
CCD的工作原理
CCD 的三層結構：
上：增光鏡片 中：色塊網格 下：感應線路
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CMOS
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• CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧 化金屬半導體)
• 和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體。 CMOS的製造技術和一般電腦晶片沒什麼差別，主要是利用矽 和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N （帶負電） 和 P（帶正電）級的半導體，這兩個互補效應所 產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS 的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使 CMOS在處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會 產生過熱的現象。