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一文带你了解摄像头中最重要的涂层--抗反射层(Antireflection)

时间:2022-06-06 09:47:16 作者:我的果果超可爱 阅读:
本文介绍了摄像头中抗反射涂层,有助于摄像头减少炫光和鬼影形成。你能拍出美丽景色和漂亮小姐姐全靠它……
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  大约在80年前,位于德国耶拿的蔡司发明了影响全世界现代光学一项技术,这项技术可以让镜头玻璃在光学中隐身。这项技术就是大名鼎鼎的T镀膜技术,可以有效减少光线在镜头表面的反射,特殊的光学材料均匀的涂敷在镜头镜片表面也可以极大程度的增强摄像头的成像质量,使得各种多镜片、高品质、retrofocus和变焦镜头成为可能。所以在镜头制造领域,这项技术可以说是近一个世纪以来最杰出的发明之一。

  这种抗反射涂层又称增透膜,最早可追溯到1886年瑞利男爵发明的简单在复杂的光学系统中,可以通过减少系统中的砸散光反射来提高对比度,此外在天文学望远镜、日常带的矫正视力镜片、甚至芯片领域的光刻中,都需要抗反射涂层来提高光学质量。

抗反射涂层和图像质量

  在Zeiss官方发表的论文中我们可以看到,一个有趣的例子,Zeiss准备了两组镜头(2,8/80mm),一组镜头涂敷了T镀膜,另一组没有任何镀膜,并且这两组镜头是Zeiss采用distagon结构拥有29个光学折射面,并且其中有26面都直接接触空气。

  Zeiss准备两组镜头结构和实拍,左边没涂层,右边有T涂层(图源:Zeiss)

  当我们斜视镜头时,带有抗反射涂层的可以明显感觉出反射回来的颜色不一样,看起来像是紫绿色的能够抵消绝大多数反射光,可以说带有T涂层的镜头在夜间或者黑暗环境中几乎“隐身”。而这也是军用的一大特性,战场用望远镜潜望镜可以极大程度上减少被敌方发现的机率。

  Zeiss用两个镜头拍同样一个画面,左图有镀层,右图无镀层(图源:Zeiss)

  使用有镀层和没有镀层的镜头拍摄同一个场景可以很直观的看出没有镀层的摄像镜头几乎不可以使用,在黑暗环境中蜡烛的杂散光线经过多次反射和折射,在最终的图像传感器上成像造成“鬼影”,可以说在较暗环境中,没有T涂层的摄像头近乎不可用。

光学系统中的点扩散函数——points pread function

对于一张人像和景物图来说,蜡烛的光源所占据的像素不大,可以看作为一个点光源,并且在特殊的角度看起来这个点光源的光线会在镜头内部多次反射,这里有一个概念叫做PSF(pointspreadfunction,点扩散函数):点扩展函数(PSF)描述了成像系统对点源或点对象的响应。对光学系统来讲,点光源可用δ函数(点脉冲)代表,输出像的光场分布就叫做脉冲响应。在傅立叶光学、天文成像、医学成像、电子显微镜和其他成像技术如三维显微镜(如共聚焦激光扫描显微镜)和荧光显微镜中是一个有用的概念,点目标的扩散/模糊程度是衡量成像系统质量的一个指标。也就是说,在非相干光学成像系统来说,最终图像的形成是多个图像成像的叠加,假设最终图像为一个像素,这一个像素是由两个点公共作用的,那么我们可以按照如下公式:

  并且由于光子的非相互作用性质可以得出,当A和B一同成像时,两者并不相互影响并且在最终成像时共同作用在最终图像上。我们看回摄像头成像的多层lens上,一个点光源发出的光经过数个(n)反射面的共同作用最后达到感光芯片上,其光学系统上最终作用的参数为(n^2+n)/2,再加上我们还要考量这个点光源的形状、色彩和亮度等因素。

  在现代光学设计中,光学系统一般都会在各个lens面镀上抗反射的镀层--AR增透膜,从而减少炫光和鬼影的产生,而现实中没有理想的光学材料(理想材料:在光线射入到镜头面时,只会发生投射和折射,不会发生任何发射),所以还要在光学设计时要特殊计算光线的角度,让反射光落在成像区域外部。

  并且由于拍摄光源的角度不同,多次反射的光产生的鬼影和炫光形状也是不尽相同,如下图Zeiss还对不同位置和距离的点光源进行测试,随着入射光的角度变化,所产生的鬼影的亮度大小和位置均不同,我们可以理解为最终成像是一个复杂的传递函数:F(object1+object2+object3+object4+...)当其中一个object发生变化时,不仅会影响其他的object,还会对于每个面反射光线的焦点产生影响。

  相较于中心场不同距离和位置的点光源所拍摄到的鬼影图(图源:Zeiss)

光圈设计不同会对鬼影产生巨大影响

  另外摄像头多面lens中还有一个很重要的结构--光圈,摄像头设计时会在lens之间开各种大小的光圈,不同的光圈对于鬼影光线的反射路径有着阻挡作用。并且不同形貌的lens和光源位置会造成虚焦,最终成像时图案也会变成多边形,不再是圆形。并且很多时候鬼影所成像亮度还会叠加,可能会比原本光源的亮度还要高(尽管像是虚假的)。

  不同F#对应的鬼影图像也不尽相同(图源:Zeiss)

  在光学系统中,成像质量的高低影响因素太多了,各种焦距、光圈和光源亮度都会有着不同的影响,随着材料的发展各种镀膜材料的发展也日新月异,但是回看多年前T镀膜还是有着举足轻重的地位。

  参考:

  Technical-article-about-the-reduction-of-reflectionZeiss

  GhostImage/Flare/TCoating--Wikepedia

  PSF点扩散传递函数--CSDN

责编:Raylei
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