浅谈提高数码照相机成像质量的途径

赵明磊

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114）

前言

数码照相机开发和进入市场仅仅只有二十多年的历史，但其发展速度之快和市场占有率之高，大大出乎意料之外。由于它有瞬时显示摄影效果，便于对图像的处理，有大的图像信息容量，且便于通讯，传送和绿色环保等优点，给摄影技术带来了革命性的变化，已经成为该技术中的主导产品。

电子技术的发展、应用使数码照相机趋于更高性能化，由于图像传感器的性能与外形尺寸与传统的胶片有很大的差别，对光学系统而言，如何按照这些特点设计、制造，提出了几个重要课题。

1 数码照相机的特点

本文涉及的数码照相机是广义的，它包括工业电视监视系统和涉及医疗卫生，生物医药等使用图像传感器作为光电转换元件的产品，同时文中提及的重要质量指标分辨率，除有特殊说明外均包含了清晰度概念。

数码照相机根据使用要求有各种规格的物镜，用它将被摄物成像在面阵排列的图像传感器CCD或CMOS上，通过电子和机械快门改变光通量对光电饱和电流控制，得到图像光电信息，由后继电路对获得信息进行放大处理，实现模数的转换，形成数字图像，DSP电路对图像文件压缩存入存储介质，可以通过输出端与各种显示设备连接，输出图像。

图像传感器有各种尺寸，像素元大小尺寸也不一样，有 1/4“英寸（3.2X2.4mm），也有应用在医疗器材上尺寸达45X45mm，最小的像素元尺寸据有资料可查已达1.75μ。由于这些因素，它的焦距在同样视场角情况下不同于传统照相机。如果图像传感器外形尺寸小于传统照相机使用胶片的尺寸，它的焦距更短，有更大的放大率，因此对物镜的分辨率要求更高。

图像传感器对红外光谱区域非常敏感，有极强的感光性能，所以在数码照相机中为获得很好的色再现，要加入红外截止滤色片，一般在Kg玻璃上涂膜制成。在实际被摄物中如树木的绿叶，人的毛发等细微的图像属于空间频率较高的部分。由于图像传感器上像素的排列是有规则的，当图像中的较高空间频率超过图像传感器的空间频率时，会引起波纹和伪色彩，需要引入光学低通滤波器去除被摄物的这些高频部分。它一般由石英晶体制成。

数码照相机分辨率与像素多少有关，为提高分辨率，现在的图像传感器，无论CCD或CMOS都在有限尺寸范围内，尽量提高像素数。这样像素元尺寸就变小，现在CMOS最小的像素元尺寸已达1.75μ。这就造成受光面积减小，受光面积和像素所占面积之比减小，开口率下降，影响了感光度。为此在每个象素元上制作时增加了微透镜，提高光的利用率。

2 数码照相机物镜的光学设计特点

数码照相机中的光学系统，电子电路，图像传感器等三部分对拍摄的效果影响最大，每一部分都有它本身的传递函数值，所以它拍摄的质量如何，大体上是由这三部分传递函数相乘的结果，由于每部分它的值均小于1，最终结果是一个不会超过这部分中最大值的一个值。

为提高数码照相机的成像质量，必须对每一部分力争尽可能提高它的值。现对其中光学系统提高它的分辨率作出分析。

光学系统质量首先由它设计的光学弥散圆决定。CCD或CMOS的像素对图像分辨率有影响，其像素元尺寸是决定设计要求的关键，当像素元尺寸大于弥散圆直径，光学系统成像的弥散圆大小有少量的变化对系统的分辨率几乎没有影响。当像素元尺寸固定时，如果弥散圆尺寸大于像素元尺寸，则系统的分辨率由光学系统决定。对光学系统而言，分辨率是传递和重现图像细节的能力。分辨率要求可以根据放大率，对目标物需要分辨细节的要求，按尼奎斯特定理在不引起干涉的前提下，确定需要设计时达到的分辨率。数码照相机物镜设计要考虑对图像传递能力，也就是要求设计时在中频时传递函数值尽可能高，以获得高的清晰度。

在对成像系统进行光学设计时要充分考虑到在系统中加入了有一定厚度的低通滤波器和红外截止滤色片的存在，需要在系统设计时同时进行。

图像传感器CCD或CMOS的每个像素元均带有微透镜。物镜出射光线以一定的出射角入射于微透镜，而微透镜有它自己固有的入射角，两者之间必须匹配，如果达不到要求，必然会造成CCD或CMOS受光部分不能完全吸收所有光线，造成渐晕，非但是光的利用率降低，还会造成对图像传递有害的暗电流。根据这类情况，对数码照相机物镜设计必须尽量使出射光线的出射角尽量小或垂直地入射到CCD或CMOS芯片表面，这样对物镜要求设计成像方远心。当然对远心度要求可以低于计量用的物镜要求。

现在数码照相机大多是使用可变焦距的物镜，要实现远心要求可是一个难题。在实现远心的同时，必然会使镜头全长增大，光阑配置若在接近CCD或CMOS位置则后半部的变倍组和调焦组移动量受到限制。为解决远心要求通常这类物镜由三组构成，第二组实现变倍，第一组为补偿移动实现像面稳定，光阑在两组之间。在变焦过程中要实现严格的像差校正。第三组实际上是场镜兼作调焦用，它使前两组的出瞳经它成于无限远，实现远心并有一定的像差校正能力，补偿前两组的剩余像差，提高变焦距物镜的成像分辨率。

从工艺角度分析提高成像质量除了对零件包括对金属零件要精心加工，进行公差分配计算，结构设计时要考虑装配校正等因素外，对任何光学系统均要考虑杂光影响，当然数码照相机物镜更不例外。杂光是光学系统中除成像光线外，扩散到像面附近或像面上的其他非成像光线。杂光的存在，严重影响成像质量，使像的对比度和传递函数下降，使得输出图像的层次减少，清晰度变坏。杂光严重时，所输出图像给人以一种蒙上一层雾的感觉。对于杂光问题，早在上世纪五十年代就有研究，也找出了原因。

对光学零件和金属零件造成杂光原因已有了研究并采取了相应的措施。特别是带有可变光阑的物镜对光阑叶片的表面处理非常重要。

从光学设计角度分析，由于各透镜表面反射光，特别是加入了红外截止滤色片和低通滤波器，这些由玻璃组成的零件，它表面反射光线经后组透镜成的像均可能到达图像传感器表面或附近造成二次像，称之为“鬼像”。它对图像影响极大。过去光学设计对此重视不够。现在使用的光学设计软件已可以计算出每个面反射光的影响。可以在每个面涂多层增透膜同时对影响大的面增加多层次数，减少反射光线。

结束语

提高数码照相机成像分辨率确切地说是提高物镜的清晰度，是数码照相机中一个非常重要的内容。科学的测试方法同样是评定物镜质量的一个必不可少的环节。现有的数码照相机整机标准JB/T 10362-2010或数码照相机分辨率的标准GB/T 19953-2005中均没有提到杂散光测试内容，更无适用数码产品用物镜的标准，实在是很大遗憾。我们生产的物镜质量之所以不能与国外的产品相比，其中原因之一是杂散光太大，有时会感到图像如蒙上一层雾那样。面临日益发展的信息通讯技术和令人眼花缭乱的数字图像技术在数码照相机中应用，在这种情况下更需要光学设计和测试人员努力引入研究新的质量评定方法，首先是制定杂散光测试标准与国际接轨，推广应用杂散光测试仪器，这是我们这一代人责无旁贷的责任。

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[2][美]施敏，伍国钰.半导体器件物理[M].西安交通大学出版社出版.2008年第一版.

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