手机镜头lens（二）
手机镜头（lens）简介
参考[刘斯宁Understanding CMOS Image Sensor](https://zhuanlan.zhihu.com/p/100777121)
单镜头的手机往往只有一种拍摄的焦段，大约28mm左右，只能进行数码变焦，也就是把画面拉近放大，但照片的画质（清晰度）会收到极大的压缩，同时，单镜头的手机也拍不出人像照片的背景虚化效果。 为了提升手机的拍摄性能，让手机的焦段和拍摄性能更加丰富，成像质量也变得更好，目前的手机上会增加较多摄像头，每个摄像头都有自己的功能，例如超广角摄像头、长焦摄像头、虚化摄像头，用多个摄像头组合的方式来提升手机的拍摄性能。
大部分手机的多摄像头，都有这几个：主摄像头、超广角摄像头、长焦摄像头、虚化摄像头。
- 主摄像头，是手机最核心也是最重要的一个摄像头，这个摄像头的光圈最大、像素最高，成像质量最好，主摄像头是手机大部分拍摄模式下都在使用的摄像头。当切换到相机中的【拍照】或【照片】模式时，也就是常规拍摄模式，哪个摄像头在工作，哪个摄像头就是主摄像头。 在常规拍摄模式下，可以用手指去逐一遮挡摄像头，当遮挡住的摄像头完全遮挡住画面了，就代表遮挡的这个摄像头是主摄像头。如果遮挡到的是副摄像头，画面就不会受到任何影响。
- 超广角摄像头，超广角，能够拍到更加宽广的画面，一般主摄像头的焦距在26-27mm左右，超广角摄像头的焦距能够达到13-18mm，能够拍到更具视觉冲击的画面，尤其适合拍摄风景和建筑照片。 在相机中调整到手机的“广角”模式，也可以通过用手指遮挡摄像头的方式确认哪个摄像头是超广角。
- 长焦摄像头，为了提升手机变焦成像的画质，手机专门增加了一个长焦摄像头，能够拍到更远的画面，同时画质压缩并不大。不同手机的长焦摄像头能够支持的“无损变焦”倍数是不同的，例如iPhone 11 pro支持2倍无损、华为P40 Pro支持5倍无损变焦。 2倍、3倍或5倍无损光学变焦，并非真正意义上的画质无损，因为手机的长焦摄像头的像素比主摄像头低很多，光圈也更小。以华为P40 Pro为例，主摄像头像素是5000万像素，光圈f1.9，长焦摄像头像素是1200万，光圈f3.4。相对于主摄像头而言，这个画质损失其实还是非常大的。只不过相对于以前的单镜头手机来说，这个长焦摄像头的成像质量已经提升了非常大。同样的，调整到手机的无损变焦倍数后，还是可以用手遮挡镜头来辨认哪个是长焦摄像头。
- 虚化摄像头虚化摄像头，主要是能够拍出背景虚化、人像照片虚化的效果，主要体现在手机的人像模式、虚化模式这些功能上。把手机的拍摄模式调整到人像/虚化模式，就可以拍出背景虚化的照片效果。在虚化模式下，也可以通过遮挡手机镜头的方式确认虚化摄像头。
lens介绍
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光是一种波，可见光只是整个光波中的一段。Lens就是一个能够截止不可见光波，而让可见光通过的带通滤波器。
- lens在相机中的位置、长相、作用：Lens是一个能够接收光信号并汇聚光信号于感光器件CMOS/CCD的装置。 LENS的作用：汇聚光线，在CMOS/CCD上形成景物的图像，为了成像清晰，减少像差，镜头用多片镜片组合，根据需要通过调整LENS获得拍照所需要的焦距。
lens的组成和指标
镜头是由一片或多片弧面（通常为球面）光学玻璃组成的透明光学部件。材料通常为塑胶透镜（plastic）或玻璃透镜（glass）。
光通过透镜 (1)，被反光镜(2)反射到磨砂取景屏(5)中。通过一块凸透镜(6) 并在五棱镜(7)中反射，最终图像出现在取景框(8)中。当按下快门，反光镜沿箭头所示方向移动，反光镜(2) 被拾起，图像被被摄在CCD(4)上，与取景屏上所看到的一致。
Lens 的主要指标：A、消除尽可能多Flare。B、画质清晰度。C、CRA(Chief Ray Angle主光线角度)要match，减少shading。D、光圈尽可能的大。 E、Distortion 尽可能的轻微等
CRA: Chief Ray of Angle， Lens cra < Sensor CRA, 相差最好在2度以内，否则容易造成阴影或偏色
lens的主要参数：
（1）．焦距：镜头焦距的长短决定着拍摄的成像大小，视场角大小，景深大小和画面的透视强弱。一般来说对于单片镜头就是镜头中心到焦点的距离，而相机镜头是由多片透镜组合，就要复杂许多。这里焦距就指的是从镜头的中心点到感光元器件（CCD）上所形成的清晰影像之间的距离。
焦距相当于物和像的比例尺，当对同一距离的同一目标拍摄时，镜头的焦距长所成的像大，焦距短所成的像小。
物象的比例：f/L=w/W=h/H;即(w*l)/W=(h*l)/H
说明：f ：镜头焦距； w：图象的宽度(被摄物体在ccd靶面上成象宽度) ；W：被摄物体宽度；L：被摄物体至镜头的距离；h：图象高度(被摄物体在ccd靶面上成像高度)视场（摄取场景）高度；H：被摄物体的高度 。
（2）．视场角：我们常用水平视场角来反映画面的拍摄范围。焦距f越大，视场角越小，在感光元件上形成的画面范围越小；反之，焦距f越小，视场角越大，在感光元件上形成的画面范围越大。
（3）．F值（口径比）：F 值即指镜头之明亮度(即镜头的透光量)。F=镜头焦距/光圈直径。F值相同,长焦距镜头的口径要比短焦距镜头口径大。
（4）．光圈：光圈是位于镜头内部的、可以调节的光学机械性阑孔，可用来控制通过镜头的光线的多少。可变光圈(Iris diaphragm)。镜头内部用来控制阑孔大小的机械装置。或指用来打开或关闭镜头阑孔，从而调节镜头的f-stop的 装置。
（5）．景深：
当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都相当于是清晰的。焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深。
lens的光学原理
（1）光的反射和折射。光线从介质1（空气）斜射入其它介质时，除过一部分光线被反射外，还有一部分光线进入 介质 2 ，发生折射现象。对于镜头而言 是需要尽可能多的增加折射光，减少反射光。
Snell’s law(折射定律)： n sin = n’ sin
光学系统
- 主平面：成像放大率等于1的一对共轭面，如图中B,B’
- 主点：主平面与光轴的交点，如图中H,H’
- 焦点：平行光轴入射光线与光轴的交点, 如图中F,F’
- 焦平面：焦点所在的垂直于光轴的平面
- 焦距：焦点与主点的距离, 如图中f,f’
- 节点：入射光线与出射光线平行时，两光线延长线与光轴的交点。N1和N2分别为物方与像方节点。物空间介质与像空间介质相同时，节点与主点重合。
- 理想光学系统特性：
- 平行于光轴的光线经理想光学系统后必通过像方焦点；
- 过物方焦点的光线经理想光学系统后必为平行于光轴的光线；
- 过节点的光线方向不变；
- 任意方向的一束平行光经理想光学系统后必交于像方焦平面上一点；
- 过物方焦平面上一点的光线经理想光学系统后必为一束平行光。
（2）光的色散：白光穿过三棱镜后发生色散，从上往下依次产生红橙黄绿蓝靛紫的光束。是因为在相同介质中，上述光线的折射率依次增大，偏折程度依次增大。就将复色光中不同频率的光分开了。
（3）小孔成像：非透明的板中间留有小孔，物体通过小孔会在像面上成反转倒立真实的像，像的清晰度受小孔的大小影响，孔小不能感应化学物质，孔大模糊。
（4）透镜成像：利用不同类型的玻璃所产生的特定的折射率和色散，让光线偏向并集中强度和大小，是镜头设计的最基本理论。
（5）像差：是光学中，实际像与根据单透镜理论确定的理想像的偏离。这些偏离值是折射作用造成。可通过透镜的组合减小到最低程度。
分为两大类：
A、单色像差是指即使在高度单色光时也会产生的像差，按产生的效果，又分成使像模糊和使像变形两类。前一类有球面像差、彗形像差和像散。后一类有像场弯曲和畸变。
B、色像差简称色差：由于透镜材料的折射率是波长的函数，由此而产生的像差。它可分为位置色差和放大率色差两种。
①单色像差有著名的赛德尔五像差：
a．球面像差（spherical aberration）：一个理想的镜面(顶端)，能经所有入射的光线汇聚在光轴上的一个点，但一个真实的镜面(底端)会有球面像差：靠近光轴的光线会比离光轴较远的光线较为紧密的汇聚在一个点上，因此光线不能汇聚在一个理想的焦点上。（分为负球面像差，正球面像差）。
现象：整个孔径光束的垂轴球差在像面上形成了一个对称于光轴的圆形弥散斑，严重时使轴上点成像变得模糊不清。
b．佩兹瓦尔像场弯曲（Resolution）：像场弯曲是因镜片缺陷，使垂直于主光轴的物平面上发出的光经透镜成像后，清晰的最佳实像面不是平面而是一个曲面的一种像差
c．畸变（Distortion）：像平面上不同位置有不同的放大率. 广角镜头容易产生桶形畸变。长焦镜头容易产生枕形畸变. 畸变与物像点离光轴的垂直高度的立方成正比，因此，物像四角的畸变比物像的四边的畸变程度大.
d．像散（Astigmatism）：一束光线可分为水平方向震动和垂直线方向震动两部分。当光线从偏离中轴的斜角度射入，有机会出现水平面光线和垂直面光线聚焦在主轴不同位置的误差。两个焦点之间所产生的影像会变得模糊，边缘像渗开一样。
e．彗形象差（coma aberration）：光轴外的某一物点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在象平面上会形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状呈彗星形，即由中心到边缘拖着一个由粗到细的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束引起的像差称为彗差。
现象：入射光束对于主光线是对称的，系统存在慧差，出射光线也不对称，造成像不是一个点而是一个彗星状的弥散斑
②色像差分为两类：
a．轴向色差（Axial chromatic aberration）：指的是光轴上的位置，因波长不同产生不同颜色有不同焦点的现象。如上图，红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。与物高无关的像差。轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色彩产生松散或光斑(flare)。
一般，大口径镜头容易产生这种像差，缩小光圈可以减少轴向色差，使画质改善
b．倍率色差Chromatic difference of magnification）：与物高一次方成正比的像差。它使不同波长光线的像高不同，在理想像平面上物点的像成为一条小光谱。指像的周围因光线波长的差异，所引起的映像倍率之改变。倍率色差表现在像的边缘有扩散的彩色条纹，涉及到成像的大小，在画面周围引起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶边(fringing)现象。是一种轴外像差，随视场角的增大而增大，但在光轴中心为零。
（6）LensShading：
产生的原因：a、入射光线角度的大小。当入射光线的角度较小时，反射的光就少，同时由于lens 表面上有一层镀膜，也会提升镜头的透光性，减弱反射光。这样就使得中心的聚光能力比四周强。中心和四周的亮度差增大。b、主光线进光角度过大，导致光无法有效進入sensor 的micro lens內, 造成lens shading较严重。
补偿的方法：分别对R、G、B每个通道的光线进行补偿。让RGB channel 都补到相同的curve。
（7）Color Shading：ColorShading是由于前面补偿 LensShading (Y Shading)后，四周颜色和中心颜色不一致的问题。
产生的原因：
A、Lens 与sensor的CRA(Chief Ray Angle主光线角度)不Match。 其中Lens CRA：镜心到成像面的角度；Sensor CRA: Micro lens可以接收的角度 。
B、sensor 设计不合理。Sensor本身无法有效吸收进入的光子, 当光子产生绕射现象跑到其他pixel上, 与sensor 设计有关。如本是R piex 应该吸收的光子 被反射到 G Piex 区域。此时会出现色差。
C、由于前面补偿 LensShading (Y Shading)后，四周颜色和中心颜色不一致的问题。(不同色温的RGB channel curve不同)。
（8）LENS好坏判断指标：
A． 镜面反光以及一些特殊场景引起的flare，鬼影，这些现象都是很难消除的，只能通过镜片镀膜或者内面防反射处理，来尽可能减少flare。
B．高像素配合清晰的画质才是好的LENS，单纯的高像素没有多大意义。
C. LENS IMAGE CIRCLE(感光区)要足够大，能够覆盖到sensor的感光区，要避免组装误差导致lens的成像区无法进去感光区中。
D．CRA(Chief Ray Angle主光线角度) 满足的条件，以减小Shading现象。
E． 光圈要尽可能大，镜头的distortion要尽可能小。
