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自动驾驶传感器之摄像头(五)车载摄像头重要器件镜头及光学参数讲解

以下文章来源于阿宝1990 ,作者阿宝1990


作者 / 阿宝

编辑 / 阿宝

出品 / 阿宝1990




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摄像头镜头

一个摄像头效果好不好,70%的光学参数是由镜头决定的,虽然从单价上来说没有COMS芯片贵,但是性能上是非常重要的。

 

针对镜头相关的参数讲解一波,这个其实对于买手机,买单反的同学来说还是非常有用的。


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我们这里以一款车载DVR的隐藏式宽FOV角度的镜头为例子。


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镜筒的材质一般都是金属,但是也有塑胶的,金属的镜筒从质量,耐高低温等各项指标都会更好,但是也有缺点,金属的套筒在螺丝扭的时候会产生金属机械粉末,会有掉入到COMS感光区域的风险,而且金属的套筒硬度比较硬,底板打螺丝的时候容易导致底板有COMS芯片的PCBA变形,从而导致成像后的解析度发生变化。

 

镜头的材质主要是两种,一种是玻璃,一种是塑胶。


玻璃镜片:以G为缩写,面型多为球面,玻璃研磨加工;


塑胶镜片:以P为缩写,面型多为非球面,注塑加工。


手机摄像头为追求轻薄短小,多为1-4pcs的玻璃镜片或塑胶镜片组成的定焦镜头。如2P,3P,3G,1G1P,2G2P等。

 

镜头的材质车载里面一般都是使用的是玻璃,玻璃的耐高温,耐擦挂性能都非常好,表面硬度玻璃会好于塑胶,当然玻璃也有缺点,价格贵,而且摄像头整体的厚度变厚了,但是在车载里面这些相对于性能要求而言,都必须要使用到玻璃镜头,所以这里可以看到6G,就是使用6个玻璃片。



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镜头的光学参数讲解


焦距(Focal Length或EFFL)

是指一个光学系统从起像方主面到焦点间的距离, 它反映了一个光学系统对物体聚焦的能力。


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BFL 后焦

镜头最后一镜片面到成像面的距离

这里的如上图所示是 5.85mm;

 

Mechanical BFL法兰距 

 

镜筒端(前/后)到成像面的距离

这里如上图所示是 5.08mm±0.2mm

 

镜头总长和光学总长(TTL): 


光学总长是指从系统第一个镜片表面到像面的距离; 而镜头总长是指最前端表面(一般指Barrel表面)到像面(例如Sensor表面)的距离.一般来说, 镜头太长或太短其设计都会变得困难, 制造时对工艺要求较高,这个镜头的总长度是22.7mm±0.3mm。

 

 

相对孔径(FNo.)


一个光学系统成像亮度指标, 一般简称F数(如传统相机上所标识), 在同样的光强度照射下, 其数值越小, 则像面越亮, 其数值越大, 则像面越暗. 对于一般的成像光学系统来说, F2.0-3.2就比较合适, 如果要求F数越小, 则设计越难, 结构越复杂, 制造成本就越高。这里的FNo为F2.1。

 

视场角(FOV): 

 

一个光学系统所能成像的角度范围. 角度越大, 则这个光学系统所能成像的范围越宽, 反之则越窄. 在实际产品当中, 又有光学FOV和机械FOV之分, 光学FOV是指SENSOR或胶片所能真正成像的有效FOV范围, 机械FOV一般大于光学FOV, 这是有其他考虑和用途, 比如说需要用机械FOV来参考设计Module或者手机盖的通光孔直径大小。

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这里的FOV角度理论上是越大越好,比如做隐藏式行车记录仪DVR的摄像头,这个时候就需要记录到的两边的图像越宽越好,越方便信息的完整性。当然这个FOV的角度直接影响到最终摄像头测距的距离,所以这个FOV角度也是最好根据摄像头的实际应用来选择。


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光学畸变(Opt distortion)和TV畸变(TV distortion): 

 

畸变是指光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度.光学畸变是指光学理论上计算所得到的变形度。

 

TV畸变则是指实际拍摄图像时的变形程度, DC相机的标准是测量芯片(Sensor)短边处的变形.一般来说光学畸变不等于TV畸变, 特别是对具有校正能力的芯片来说. 畸变通常分两种: 桶形畸变和枕形畸变,比较形象的反映畸变的是哈哈镜,使人变得又高又瘦的是枕型畸变,使人变得矮胖的是桶型畸变。


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这个一般都比较重视的是TV失真,越小越好,这样对于后面芯片的处理也就越简单,这里的镜头的TV失真是小于21%。

 

相对照度(Relative illumination又简写为RI): 

 

它是指一个光学系统所成像在边缘处的亮度相对于中心区域亮度的比值, 无单位. 在实际测量的结果中, 它不仅同光学系统本身有关, 也同所使用的感光片(SENSOR)有关. 同样的镜头用于不同的芯片可能会有不同的测量结果.

 

这个车载镜头的RI指标是≥53%。

 

CRA 主光线出射角通过光阑中心光线的成像面入射角


不同的视场具有不同的CRA值,将所有视场的CRA做成一条曲线,即

所谓的CRA曲线。图纸中所示的CRA值为Sensor有效像高处的数值。


MTF: 

它从一定程度上反映了一个光学系统对物体成像的分辨能力.一般来说, MTF越高,  其分辨力越强, MTF越低, 其分辨力越低.由于MTF也只是从一个角度来评价镜头的分辨率,也存在一些不足, 故在目前的生产中, 大多数还是以逆投影检查分辨率为主。






IR Filter(滤光片): 


它主要用于调整整个系统的色彩还原性. 它往往随着芯片的不同而使用不同的波长范围, 因为芯片对不同波长范围的光线其感应灵敏度不一样.对于目前应用较广的CMOS和CCD感光片它非常重要, 早期的CCD系统中, 采用简单的IRF往往还不能达到较好的色彩还原性效果。


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IR-Cut:透过率为50%时的红外光线频率,650±10nm @ T=50%

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所以这里可以看到车载摄像头的镜头的红外滤光片基本上都是650nm±10nm的滤光片。

 

IR镀膜的规格对镜头的色彩还原性有较大的影响,另外结合sensor的特性,对镀膜进行优化,会改善镜头色彩还原能力,所以在有的摄像头拍照出来的色彩还原效果比较差的时候,软件优化都无能为力的时候,可以考虑IR镀膜来调整。


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车载镜头需要满足的信赖性实验要求:

1、高低温存储和高低温冲击,这个主要验证镜头会不会在极限温度下产生变形,导致图像失真。


2、耐腐蚀实验,譬如后拉摄像头,是在车子外面的,本身就风吹雨晒的,很容易有腐蚀液体在镜头表面,而且也会有车子清洗的时候会有玻璃洗涤液等腐蚀,所以车载镜头需要过耐腐蚀的实验。


3、耐振动实验,这个是必须要过的,本身汽车的振动就会传递到摄像头这边,镜头作为一个刚性材料,需要在各种路况或者运输途中的振动都能完好如初,满足车载振动的实验要求。


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4、IPX9K防水等级要求,一个摄像头防水好不好,底子牢靠不牢靠,其实最根本的除了连接处的防水做好以为,影响最大的就是镜头本身防水等级是否够高,一般摄像头整体防水是IPX6的 等级,但是镜头基本上要过IPX9K的等级,这样才能保障摄像头整体的防水能力,如果是车内的DVR行车记录仪,不会放置在车外,这个防水等级要求可以降低。


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5、耐盐雾实验,这个也是车载必须的实验之一,汽车难免会驾驶到海边等恶劣的环境中去,这时候空气中的盐雾成分就会比较大,一般的金属都会被腐蚀,时间久了以后就会锈穿,直接就坍塌掉,所以一般金属器件外表面会有涂覆防锈油,这样可以过耐盐雾的实验标准要求。

 

6、百格试验 用HB铅笔在镜头G1外露面均匀划百格线(横10条,竖10条)用擦拭纸蘸酒精擦拭被涂画的地方。观察镜头表面,从圆心至外3/4圆处有1—2条膜伤为可采纳品,表面膜层无任何脱落为佳品。出现网状膜伤,判定不良。

 

这个实验主要目的是验证镜头表面的耐擦性能,特别是倒车后视的摄像头,看看下图中的保时捷的倒车后视摄像头,在尾箱正中间,这个位置非常容易被溅起来的小石头刮花镜头表面,如果刮花了,整个显示图像就非常不清晰了,所以需要镜头能耐比较强的擦刮实验,这里的百格实验就是这个目的。


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7、紫外线照射试验

测试镜头放进30W的紫外线老化试验箱,紫外线灯照射镜头240H,实验后所有性能和功能正常。


我们都知道紫外光很强,会把一些塑胶或者玻璃黄化掉,想想汽车在太阳暴晒后,座椅的颜色都会晒黄一样的道理,镜头有的是玻璃,有的是塑胶,塑胶就容易被紫外线晒黄变,所以车载镜头一定要过此试验标准。


参考资料:

https://mp.weixin.qq.com/s/RVIOlT_Yr5GmpNQ12mfBFQ

https://mp.weixin.qq.com/s/y1CCWyG8pJ8tONZTiiYXfw

https://mp.weixin.qq.com/s/ZZX6NyGKTpC8awscJV6PFg

https://mp.weixin.qq.com/s/bQ_-FJbxDr-h9tYw1G1KZA

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https://mp.weixin.qq.com/s/iA1cOzz5tLiUREQIaNsNXw

https://mp.weixin.qq.com/s/XWpwgZ_nlx7pjewVtjckWQ

https://mp.weixin.qq.com/s/FiW0S6PRjdFWW8eeCiJWxQ




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