Einführung
Bei der Entwicklung von Digitalkameras - insbesondere für Robotik und Computer Vision - wird ein Parameter oft übersehen: der Hauptstrahlwinkel (CRA). Einfach ausgedrückt, beschreibt CRA den Winkel, in dem das Licht eines Objektivs auf den Bildsensor trifft. Um eine optimale Leistung zu erzielen, sollte der CRA eines Objektivs genau dem entsprechen, für den der Sensor ausgelegt ist. Wenn sie nicht übereinstimmen (eine Situation, die als CRA-Fehlanpassung bezeichnet wird), kann dies zu verzerrten Farben, verdunkelten Bild Ecken und andere Probleme mit der Bildqualität.
Dieser Artikel erklärt, was der Hauptstrahl ist, warum die CRA-Fehlanpassung auftritt, wie sie sich auf Ihre Bilder auswirkt und wie Sie und wie Sie diese Probleme vermeiden können, indem Sie das richtige Objektiv - z. B. die vielen M12-Objektive - für Ihre Kamera.
Was ist der Chief Ray und Chief Ray Winkel (CRA)?
Der Hauptstrahl eines Objektivs
Der Hauptstrahl eines Objektivs ist der Lichtstrahl, der von einem außermittigen Punkt des Motivs ausgeht und durch die Mitte der Blende des Objektivs verläuft. Mit anderen Worten: Wenn Sie ein Objektiv betrachten, ist der Hauptstrahl der Hauptlichtstrahl von einem bestimmten Objektpunkt, der durch die Mitte des Objektivs (die Mitte der Eintrittspupille) und in Richtung Bildebene verläuft. Jeder Punkt des Objekts hat seinen eigenen Hauptstrahl durch durch das optische System, und diese Hauptstrahlen bestimmen, wie sich das Licht aus verschiedenen Winkeln durch das Objektiv bewegt.
Hauptstrahlwinkel in Linsen und Sensoren
Der Hauptstrahlwinkel (CRA) ist der Winkel zwischen dem Hauptstrahl und der optischen Achse des Objektivs. Für eine bestimmte Objektiv-Sensor-Konfiguration wird der maximale Hauptstrahlwinkel am Bildsensor (der normalerweise der an den Ecken des Sensors auftritt) als "CRA" dieses Systems. Ein Objektiv könnte zum Beispiel folgende Werte haben eine CRA von 20° haben, was bedeutet, dass der Hauptstrahl am Bildrand in einem Winkel von 20° relativ zur Senkrechten auf den Sensor trifft. zur Senkrechten (optische Achse).
Die Bildsensoren selbst sind für einen bestimmten CRA-Bereich ausgelegt. Moderne CMOS-Bildsensoren haben winzige Mikrolinsen über jedem Pixel, mit deren Hilfe das einfallende Licht in die Fotodiode gelenkt wird. Der für den Sensor CRA des Sensors (manchmal auch Pixel-Hauptstrahlwinkel genannt) bezieht sich in der Regel auf den maximalen Winkel, in dem diese Mikrolinsen effektiv Licht sammeln können.
Abbildung: Vereinfachter Querschnitt eines CMOS-Bildsensor-Pixels (Sony STARVIS 2 Architektur), der zeigt wie eine Mikrolinse das einfallende Licht auf die Fotodiode fokussiert. Bei einem 0°-CRA-Sensor sitzen die Mikrolinsen Mikrolinsen direkt über den Pixeln; bei einem High-CRA-Sensor sind die Mikrolinsen versetzt, um das in einem Winkel eintreffende Licht in einem bestimmten Winkel auf das richtige Pixel zu lenken.
Schlüssel zum Verständnis
Die CRA des Objektivs und die CRA des Sensors sind zwei Seiten der gleichen Medaille. Das Objektiv bestimmt, in welchem Winkel die Lichtstrahlen auf den Sensor treffen, und der Sensor hat einen Winkelbereich Bereich, in dem er diese Strahlen effektiv einfangen kann. Wenn das Objektiv das Licht in Winkeln außerhalb der Komfortzone des Sensors, treten Probleme auf.
Was ist CRA Mismatch (und warum ist es wichtig)?
CRA-Fehlanpassung bezieht sich auf die Situation, dass der Hauptstrahlwinkel des Objektivs nicht mit dem mit dem Hauptstrahlwinkel übereinstimmt, für den der Sensor ausgelegt ist. In der Praxis bedeutet dies, dass das Licht des Objektivs Objektiv auf die Pixel des Sensors in einem zu steilen oder zu flachen Winkel auftrifft, verglichen mit dem Winkel, für den die Mikrolinsen des Sensors Mikrolinsen des Sensors optimiert sind.
✓ Kompatible Kombinationen
- Mobiles Objektiv + mobiler Sensor (hohe CRA)
- Industrieobjektiv + Industriesensor (niedrige CRA)
✗ Häufige Fehler
- Mobiles Objektiv + Industrieller Sensor
- Variante Industrieobjektiv + Mobiler Sensor
Auswirkungen von CRA-Fehlanpassungen
- Reduzierte Lichterfassung: Wenn das Licht in einem zu steilen Winkel eintrifft, kann es die die Mikrolinse des Pixels nicht richtig passieren oder auf die Metallschichten des Sensors treffen, was zu einem Signalverlust führt. In extremen Fällen erhalten Pixel in der Nähe des Sensorrandes deutlich weniger Licht, was zu einer Vignettierung führt. zur Vignettierung.
- Optisches Übersprechen: Licht, das im falschen Winkel auftrifft, kann in die Photodiode eines benachbarten Pixels Photodiode gelangen. Bei einem Farbsensor (mit einem Bayer-Farbfilter-Array) bedeutet dies, dass das Licht einer Farbe in ein in ein Pixel, das für eine andere Farbe bestimmt ist, eindringen, was zu einer Vermischung der Farbinformationen führt.
- Farbschattierungen: Das optische Übersprechen und der unterschiedliche Lichtabfall über das Bild können einen radialen Farbton oder eine Schattierung - oft rot-grün getönt - von der Mitte des Bildes zu den Ecken. Teile des Bildes können in der falschen Farbe oder mit einem Farbverlauf erscheinen.
- Verlust der Bildqualität: Insgesamt kann eine nicht angepasste CRA den Kontrast verschlechtern und erfordert höhere Verstärkungen im Bildsignalprozessor der Kamera (um dunkle Bereiche zu verstärken), was wiederum zu Rauschen führt. Das Bild kann unscharf, kontrastarm oder in Farbe und Helligkeit uneinheitlich wirken.
Abbildung: Seite-an-Seite-Vergleich einer Kamera mit CRA-Fehlanpassung (links) im Vergleich zu einem korrekt angepassten Objektiv und Sensor (rechts). Das linke Bild zeigt Farbschattierungen - beachten Sie den rosa Farbton zu den Rändern hin - und und eine leichte Verdunkelung der Ecken. Das rechte Bild (mit einem Commonlands CIL340 M12-Objektiv, das auf den Sensor abgestimmt ist) zeigt eine viel gleichmäßigere Farbe und Helligkeit über den gesamten Rahmen.
RGB vs. Monochrom: Kritische Unterschiede
Die CRA-Fehlanpassung betrifft vor allem RGB-(Farb-)Sensoren aufgrund der wellenlängenabhängigen Natur des optischen Übersprechens. Wenn Licht im falschen Winkel auf einen Farbsensor mit einem Bayer-Filter trifft, kann es kann es von einem Farbkanal in einen anderen übergehen, wodurch die charakteristischen Farbschattierungen entstehen.
Monochrome Sensoren weisen eine deutlich geringere Empfindlichkeit gegenüber CRA-Fehlanpassungen auf, weil:
- Kein Farbfilter-Array bedeutet kein Übersprechen der Farbkanäle
- Gleichmäßiger Spektralverlauf reduziert Differentialeffekte
- Einfachere Pixelstruktur mit weniger komplexen Lichtwegen
⚠️ Wichtiger Hinweis für Ingenieure
Monochrome Sensoren sind zwar toleranter gegenüber CRA-Fehlanpassungen, weisen aber dennoch Vignettierung und reduzierte Quanteneffizienz bei extremen Fehlanpassungen (>20°). Gehen Sie nicht davon aus, dass monochrome Anwendungen CRA gänzlich ignorieren können - die richtige Anpassung verbessert immer noch die Leistung.
Mehrere CRA-Varianten: Ein entscheidender Faktor bei der Auswahl
Viele moderne Sensoren sind in mehreren CRA-Varianten erhältlich. Ein beliebter Sony IMX-Sensor kann zum Beispiel angeboten werden:
- 0° CRA-Variante: Für telezentrische oder spezielle optische Systeme
- 12° CRA-Variante: Für industrielle Standardobjektive
- 28° CRA-Variante: Für mobile oder kompakte Kameramodule
Diese Varianten haben die gleiche Pixelarchitektur und die gleichen elektronischen Spezifikationen, unterscheiden sich aber in der Positionierung der Mikrolinsen Positionierung. Die Auswahl der richtigen Variante ist entscheidend für die Systemleistung und kann nach der Beschaffung nicht mehr geändert werden.
Tipp für die Beschaffung
Geben Sie bei der Bestellung von Sensoren immer die genaue CRA-Variante an. Das Suffix der Teilenummer gibt oft die die CRA-Variante (z. B. -C00 für 0°, -C12 für 12°). Erkundigen Sie sich bei Ihrem Lieferanten, da die Namenskonventionen zwischen den Herstellern variieren.
Warum ist eine CRA-Fehlanpassung in der Nachbearbeitung schwer zu beheben?
Wenn Sie eine Objektiv-Sensor-Kombination mit einer CRA-Fehlanpassung vorfinden, fragen Sie sich vielleicht: Können wir nicht nicht einfach die Farbe und Helligkeit in der Software korrigieren, nachdem das Bild aufgenommen wurde? Die Antwort lautet, dass man Das kann man versuchen, aber es ist extrem schwierig, es richtig zu machen, außer unter sehr kontrollierten Bedingungen.
Große Sensorhersteller entwickeln verschiedene Versionen von Sensoren mit unterschiedlichen CRA-Optimierungen. Hersteller von Großserien-Handys arbeiten eng mit Sensorlieferanten zusammen, um die Pixel-Mikrolinsen für ihre ihre spezifischen Objektivdesigns abzustimmen. Sie können dies tun, weil sie das genaue Objektiv kennen, das verwendet wird, und Millionen von Einheiten produzieren. Die meisten von uns müssen sich für einen Sensor entscheiden, der bereits auf dem Markt ist, und dann ein passendes Objektiv auswählen.
Die Herausforderung besteht darin, dass Farbschattierungskorrekturen spezifisch für die Beleuchtung und die Szene sind. Ändern Sie die Beleuchtung (anderes Spektrum oder anderer Beleuchtungswinkel) und das Farbschattierungsmuster kann sich aufgrund von aufgrund von Wechselwirkungen zwischen der Lichtfarbe und der Reaktion der Mikrolinsen/Pixel (ein Phänomen, das mit Metamerie zusammenhängt).
Der Experten-Realitäts-Check
Nur eine Handvoll hochkarätiger Bildqualitätsingenieure weltweit ist auf die Korrektur extremer CRA Mismatch-Korrektur spezialisiert - und sie arbeiten in der Regel in Unternehmen mit enormen Ressourcen (Google, Apple, usw.). Wir schätzen, dass weniger als 50 Personen weltweit über das Fachwissen verfügen, um erfolgreich schwere CRA-Fehlanpassung (>15° nichtlinear) in Software zu korrigieren. Wenn Sie nicht einen dieser seltenen Experten in Ihrem Team haben, ist es am besten, sich nicht in den "Kaninchenbau" zu begeben und zu versuchen, eine große CRA-Fehlanpassung in der Nachbearbeitung zu korrigieren. Es könnte leicht 6-12 Monate Arbeit in Anspruch nehmen und trotzdem nicht das gewünschte Ergebnis bringen.
So stellen Sie sicher, dass Ihr Objektiv und der Sensor CRA richtig aufeinander abgestimmt sind
| Sensor CRA Bereich | RGB-Toleranz | Mono-Toleranz | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|
| <10° | ±10° | ±15° | Bildverarbeitung, Industrie |
| 10° - 20° | ±7° | ±12° | Sicherheit, Automotive |
| >20° | ±4° | ±8° | Verbraucher, Mobile |
Bewährte Praktiken für den CRA-Abgleich
- Wählen Sie von Anfang an kompatible Komponenten: Recherchieren Sie die CRA-Spezifikation des Sensors und suchen Sie nach Objektiven, die mit einer ähnlichen CRA beworben werden. In vielen Sensordatenblättern wird ein "Hauptstrahlwinkel" angegeben oder bieten ein Diagramm mit CRA vs. Feldwinkel.
- Bleiben Sie innerhalb der Toleranz: Als Faustregel gilt: Versuchen Sie, die Differenz zwischen der Objektiv-CRA und Sensor-CRA innerhalb der oben angegebenen Toleranzen zu halten. Einige Experten empfehlen eine Abweichung von ±3° einzuhalten, um optimale Ergebnisse zu erzielen, insbesondere bei Sensoren mit sehr kleinen Pixeln.
- Verwenden Sie "Low CRA"-Sensoren, wenn verfügbar: Wenn Ihre Anwendung nicht durch ein superkleines Objektiv eingeschränkt ist nicht durch ein superkleines Objektiv eingeschränkt ist, sollten Sie Bildsensoren verwenden, die eine relativ geringe CRA-Anforderung haben (z. B. 0-15°). Sie lassen sich gut mit vielen handelsüblichen Bildverarbeitungsobjektiven kombinieren.
- Vermeiden Sie die Falle "mobil-industriell": Paaren Sie niemals einen mobilen Sensor mit hohem CRA-Wert (20-35°) mit einem einem industriellen M12-Objektiv, das nicht für diese CRA ausgelegt ist. Dies ist einer der häufigsten Fehler bei der häufigsten Fehler beim Kameradesign.
- Berücksichtigen Sie das gesamte Sichtfeld: Stellen Sie sicher, dass der Hauptstrahlwinkel des Objektivs in der Ecke des Bildes noch innerhalb des zulässigen Bereichs des Sensors liegt. Nichtlineare CRA-Profile erfordern eine sorgfältige Analyse des gesamten Bildfelds.
- Überindizieren Sie bei der Qualifizierung nicht: Das Ausmaß der Schattierung ist etwas subjektiv und anwendungsabhängig. Experimentelle Tests mit Ihrem tatsächlichen Anwendungsfall sind wertvoller als theoretische Analyse. Bauen Sie Prototypen und testen Sie unter repräsentativen Bedingungen.
Praktisches Testprotokoll
Um den CRA-Abgleich in Ihrem System zu überprüfen:
- Erfassen Sie ein einheitliches weißes Ziel unter Ihrer typischen Beleuchtung
- Suche nach Farbverläufen von der Mitte zur Ecke
- Test unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen
- Beurteilen Sie, ob der Beschattungsgrad für Ihre Anwendung akzeptabel ist.
- Denken Sie daran: Einige Anwendungen können mehr Unstimmigkeiten vertragen als andere.
Schlussfolgerung: Richtige CRA-Anpassung für besseres Sehen
Das Verständnis des Hauptstrahlwinkels und seiner Auswirkungen auf Bildsensoren ist für jeden, der an Kamerahardware Hardware in der Robotik oder Computer Vision arbeiten. Es ist ein Aspekt der Optik, der die Bereiche Objektiv und Sensor überbrückt. Ein gut aufeinander abgestimmtes Objektiv- und Sensor-Duo erzeugt sauberere, genauere Bilder, während ein falsch abgestimmtes Paar sich über seltsame Farbverschiebungen und dunkle Ecken den Kopf zerbrechen kann.
Die Schlussfolgerung liegt auf der Hand: Achten Sie frühzeitig auf CRA, wählen Sie die richtigen Komponenten, und Sie müssen sich später nicht mit später nicht nachbessern. Denken Sie daran, dass RGB-Sensoren viel empfindlicher auf CRA-Fehlanpassungen reagieren als Monochromsensoren, und dass die subjektive Natur der Schattierung bedeutet, dass die experimentelle Validierung die theoretische Analyse übertrumpft.
Bei Commonlands legen wir bei all unseren Linsenempfehlungen Wert auf die CRA-Anpassung. Unser M12-Objektiv Kollektion wurde für Embedded-Vision-Anwendungen zusammengestellt, und wir bieten detaillierte Spezifikationen (Brennweite, F-Zahl, CRA, etc.) damit Sie eine fundierte Wahl treffen können. Durch die Wahl eines Objektivs mit dem richtigen Hauptstrahlwinkel für Ihren Sensor erzielen Sie eine bessere Bildqualität bei geringerem Kalibrierungsaufwand.
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