如何選擇圖像傳感器的鏡頭

題為ISP前傳，即正式開始研究ISP之前，我們不得不先得搞清楚的一些基礎(chǔ)概念：

ISP的傳統(tǒng)應(yīng)用主要包括數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)，而決定數(shù)碼相機(jī)與攝像機(jī)的成像質(zhì)量的，除了圖像傳感器與ISP圖像處理芯片部分，最為重要的就是鏡頭部分。所謂玩單反窮三代，主要講的也是鏡頭部分的昂貴投入，并且不同焦距的鏡頭得換著伺候，更是望塵莫及。

在手機(jī)中，鏡頭也是影響成像質(zhì)量最為重要的部件。當(dāng)下阻礙手機(jī)越做越薄的關(guān)鍵，就是手機(jī)的鏡頭。甚至為了滿足不同焦距，不同光圈的拍照，以獲得更好的畫質(zhì)以及拍攝體驗(yàn)，手機(jī)開始集成了多個(gè)Sensor+配套鏡頭。如下是手機(jī)鏡頭的組成結(jié)構(gòu)，主要由基板+圖像傳感器+650nm濾波片+光學(xué)鏡片組成。

對(duì)于我們草根來說，DIY設(shè)計(jì)或者產(chǎn)品定義，通常用不到手機(jī)這么復(fù)雜的鏡頭。如果不涉及Auto-Focus，那么鏡頭也沒有馬達(dá)部分，產(chǎn)品出廠的時(shí)候通過手動(dòng)調(diào)焦后固定鏡頭部分，即可。針對(duì)這種設(shè)計(jì)及應(yīng)用，我們?cè)撊绾芜x擇圖像傳感器的鏡頭？

1.鏡頭座子選型

首先，手機(jī)攝像頭是通過在軟硬結(jié)合板上貼好傳感器后，再用膠鏡頭上去的，這種設(shè)計(jì)去定制生產(chǎn)，DIY太麻煩了（后面專門寫一篇文章講如何定制FPC模組）。我們常規(guī)的設(shè)計(jì)，就得在PCB上先留好鏡頭座的孔位（鏡頭裝在外殼的除外）。這里以如下圖，為20mm孔間距座子的PCB示意圖（思特威SC130GS）：

鏡頭孔間距，是用來安裝鏡頭座子的。以M12鏡頭座為例，一般有18mm、20mm、22mm孔距，其中20mm最為常用。如下所示，為20mm M12鏡頭座的尺寸圖，我們主要關(guān)注固定孔間距以及邊框的尺寸（必須比Sensor大，否則就得換更大孔間距的座子）。

確定好了鏡頭座的固定孔尺寸（20mm），接下來就是鏡頭座子的選型。這里仍然以M12鏡頭座為例（CS類比），按照材料分有金屬以及塑料的鏡頭座。

這兩種材料的鏡頭也各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比如下：

1）塑膠座子：更輕、更便宜、不掉鐵屑；但容易擰歪，固定孔需要攻絲

2）金屬座子：精度更高、固定孔帶螺紋直接擰；但更貴，容易掉鐵屑

2.650nm濾波片的選擇

監(jiān)控相機(jī)上有個(gè)重要的組件，要做IR-CUT，如下圖所示：

開始討論濾波片前，我們先看看傳感器在不同波段下的特性。以SC130GS彩色及黑白的光譜圖為例，如下所示：

可見SC130GS在350nm~950nm波段都可以接受光線，但是我們的人眼不行，人眼只能感受到650nm左右的波段（個(gè)別人除外），如下圖所示：

650nm后面，主要是紅色及紅外部分，此時(shí)綠色和藍(lán)色較弱，如果相機(jī)為了呈現(xiàn)人眼看到的景象，那么650n以上部分就是傳感器接收到的冗余的光線，因此也就會(huì)有了IR-CUT。IR-CUT在白天的時(shí)候打開，此時(shí)在鏡頭和Sensor之間加裝了650nm濾波片，有效濾除了冗余的紅色及紅外部分，盡可能地保持和人眼同樣的敏感程度。否則由于吸收了過多的紅外光，圖像容易偏紅，不太好做后續(xù)的圖像處理。

但是在夜晚，作為監(jiān)控相機(jī)與生俱來背負(fù)的使命，就需要發(fā)揮價(jià)值了。晚上人眼看不到（動(dòng)物除外），但為了更好的監(jiān)控視覺，往往有850nm紅外補(bǔ)光，因此需要將IR-CUT關(guān)閉，此時(shí)Sensor感光全透，在850nm紅外光的作用下，可以看到人眼看不到的晚上。如下圖所示，為此刻的本人，雖然沒有開燈，但HK監(jiān)控相機(jī)上的850nm補(bǔ)光后，客廳歷歷在目。

這里，我們得進(jìn)一步解釋/提出3個(gè)問題：

1）如果是黑白相機(jī)，比如前面的SC130GS的光譜，始終只能看到黑白圖像，那么不需要650nm濾波片

2）紅外補(bǔ)光可以黑暗成像問題，但仍然是黑白成像，并且容易紅曝光

3）如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)彩色低照度相機(jī)呢？有待后續(xù)我們深入研究！

再回到問題的源頭，我們?nèi)绾渭友b650nm濾波片呢?主要有以下幾個(gè)方法：

1）在鏡頭上貼650nm濾波片，如下(1)所示：

2）選擇集成了650nm的濾波片，如下(2)所示：

3）選擇IR-CUT鏡頭座，但需要額外電路控制

3.鏡頭選型

鏡頭的選型，一半依賴傳感器的尺寸，另一半根據(jù)需求來確定。傳感器的靶面，決定了我們能用多少靶面的鏡頭；而需要拍攝的距離，決定了我們鏡頭的焦距。最后，才是光圈、景深。

這里再舉一個(gè)例子，以思特威的SC2210為例子，其傳感器相關(guān)參數(shù)如下（左）所示：

由于傳感器的靶面為1/1.8''，那么我們至少得選擇1/1.8''的鏡頭，否則會(huì)導(dǎo)致4角不能正常成像；但如果選擇靶面過大的鏡頭（比如1寸），那么實(shí)際就中間部分有效，則容易導(dǎo)致成像角度過小。

另外，1/1.8寸常用的鏡頭為6mm，如果更短的焦距，則會(huì)有更大的畸變；那么如果沒有成熟的畸變矯正算法，則選擇6mm甚至以上的鏡頭更優(yōu)。實(shí)際上能從淘寶上買到的1/1.8寸的鏡頭，幾乎也就是6mm的，我們?cè)O(shè)計(jì)的SC2210用的也是6mm焦距的鏡頭，SC2210模組及這款鏡頭的詳細(xì)參數(shù)，如下所示：

另外，這邊引入的話題就多了，待后續(xù)慢慢展開解釋，羅列如下：

1）FPGA畸變矯正算法，如何實(shí)現(xiàn)

2）如何根據(jù)靶面及焦距，計(jì)算視場(chǎng)角及拍攝距離

參考內(nèi)容：無，online天馬行空！

PS：原本只想簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單講一下鏡頭選型，但往往為了講一個(gè)問題，會(huì)引入更多的問題，這就是寫文章最可怕的地方

PS：夜深人靜，沒有嘈雜的打擾，愿這份寧靜，可以一直堅(jiān)持下去。

審核編輯：湯梓紅