如何选择图像传感器的镜头

题为ISP前传，即正式开始研究ISP之前，我们不得不先得搞清楚的一些基础概念：

ISP的传统应用主要包括数码相机和摄像机，而决定数码相机与摄像机的成像质量的，除了图像传感器与ISP图像处理芯片部分，最为重要的就是镜头部分。所谓玩单反穷三代，主要讲的也是镜头部分的昂贵投入，并且不同焦距的镜头得换着伺候，更是望尘莫及。

在手机中，镜头也是影响成像质量最为重要的部件。当下阻碍手机越做越薄的关键，就是手机的镜头。甚至为了满足不同焦距，不同光圈的拍照，以获得更好的画质以及拍摄体验，手机开始集成了多个Sensor+配套镜头。如下是手机镜头的组成结构，主要由基板+图像传感器+650nm滤波片+光学镜片组成。

对于我们草根来说，DIY设计或者产品定义，通常用不到手机这么复杂的镜头。如果不涉及Auto-Focus，那么镜头也没有马达部分，产品出厂的时候通过手动调焦后固定镜头部分，即可。针对这种设计及应用，我们该如何选择图像传感器的镜头？

1.镜头座子选型

首先，手机摄像头是通过在软硬结合板上贴好传感器后，再用胶镜头上去的，这种设计去定制生产，DIY太麻烦了（后面专门写一篇文章讲如何定制FPC模组）。我们常规的设计，就得在PCB上先留好镜头座的孔位（镜头装在外壳的除外）。这里以如下图，为20mm孔间距座子的PCB示意图（思特威SC130GS）：

镜头孔间距，是用来安装镜头座子的。以M12镜头座为例，一般有18mm、20mm、22mm孔距，其中20mm最为常用。如下所示，为20mm M12镜头座的尺寸图，我们主要关注固定孔间距以及边框的尺寸（必须比Sensor大，否则就得换更大孔间距的座子）。

确定好了镜头座的固定孔尺寸（20mm），接下来就是镜头座子的选型。这里仍然以M12镜头座为例（CS类比），按照材料分有金属以及塑料的镜头座。

这两种材料的镜头也各有优缺点，对比如下：

1）塑胶座子：更轻、更便宜、不掉铁屑；但容易拧歪，固定孔需要攻丝

2）金属座子：精度更高、固定孔带螺纹直接拧；但更贵，容易掉铁屑

2.650nm滤波片的选择

监控相机上有个重要的组件，要做IR-CUT，如下图所示：

开始讨论滤波片前，我们先看看传感器在不同波段下的特性。以SC130GS彩色及黑白的光谱图为例，如下所示：

可见SC130GS在350nm~950nm波段都可以接受光线，但是我们的人眼不行，人眼只能感受到650nm左右的波段（个别人除外），如下图所示：

650nm后面，主要是红色及红外部分，此时绿色和蓝色较弱，如果相机为了呈现人眼看到的景象，那么650n以上部分就是传感器接收到的冗余的光线，因此也就会有了IR-CUT。IR-CUT在白天的时候打开，此时在镜头和Sensor之间加装了650nm滤波片，有效滤除了冗余的红色及红外部分，尽可能地保持和人眼同样的敏感程度。否则由于吸收了过多的红外光，图像容易偏红，不太好做后续的图像处理。

但是在夜晚，作为监控相机与生俱来背负的使命，就需要发挥价值了。晚上人眼看不到（动物除外），但为了更好的监控视觉，往往有850nm红外补光，因此需要将IR-CUT关闭，此时Sensor感光全透，在850nm红外光的作用下，可以看到人眼看不到的晚上。如下图所示，为此刻的本人，虽然没有开灯，但HK监控相机上的850nm补光后，客厅历历在目。

这里，我们得进一步解释/提出3个问题：

1）如果是黑白相机，比如前面的SC130GS的光谱，始终只能看到黑白图像，那么不需要650nm滤波片

2）红外补光可以黑暗成像问题，但仍然是黑白成像，并且容易红曝光

3）如何实现一个彩色低照度相机呢？有待后续我们深入研究！

再回到问题的源头，我们如何加装650nm滤波片呢?主要有以下几个方法：

1）在镜头上贴650nm滤波片，如下(1)所示：

2）选择集成了650nm的滤波片，如下(2)所示：

3）选择IR-CUT镜头座，但需要额外电路控制

3.镜头选型

镜头的选型，一半依赖传感器的尺寸，另一半根据需求来确定。传感器的靶面，决定了我们能用多少靶面的镜头；而需要拍摄的距离，决定了我们镜头的焦距。最后，才是光圈、景深。

这里再举一个例子，以思特威的SC2210为例子，其传感器相关参数如下（左）所示：

由于传感器的靶面为1/1.8''，那么我们至少得选择1/1.8''的镜头，否则会导致4角不能正常成像；但如果选择靶面过大的镜头（比如1寸），那么实际就中间部分有效，则容易导致成像角度过小。

另外，1/1.8寸常用的镜头为6mm，如果更短的焦距，则会有更大的畸变；那么如果没有成熟的畸变矫正算法，则选择6mm甚至以上的镜头更优。实际上能从淘宝上买到的1/1.8寸的镜头，几乎也就是6mm的，我们设计的SC2210用的也是6mm焦距的镜头，SC2210模组及这款镜头的详细参数，如下所示：

另外，这边引入的话题就多了，待后续慢慢展开解释，罗列如下：

1）FPGA畸变矫正算法，如何实现

2）如何根据靶面及焦距，计算视场角及拍摄距离

参考内容：无，online天马行空！

PS：原本只想简简单单讲一下镜头选型，但往往为了讲一个问题，会引入更多的问题，这就是写文章最可怕的地方

PS：夜深人静，没有嘈杂的打扰，愿这份宁静，可以一直坚持下去。

审核编辑：汤梓红