La définition de l'angle de rayonnement du chef-lieu de l'objectif et la redoutable inadéquation de l'ARC

Inadéquation de l'angle de rayonnement de la lentille et impact sur la qualité de l'image 

L'angle du rayon principal (CRA) d'un objectif et le rayon principal d'un capteur affectent les facteurs de qualité de l'image tels que l'ombrage des couleurs et le vignettage.

L'ampleur de l'impact de la non-concordance CRA peut être estimée à l'aide de la différence des carrés. Cela dépend de l'architecture des pixels du capteur, mais il s'agit d'une bonne règle empirique de premier ordre.

Vous trouverez ci-dessous un exemple de décalage CRA problématique comparé à un décalage correct avec notre objectif CIL340 M12.

Qu'est-ce que l'angle de rayonnement principal d'un capteur d'image ?

Commençons par l'architecture d'un pixel CMOS (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor) moderne. Voici une architecture de pixel simplifiée provenant du site Web de Sony que j'ai annotée.

Dans ce dessin marketing simplifié, vous pouvez voir les différents composants d'un pixel.

Un manuel d'introduction aux diodes que nous avons étudié à l'époque à l'UofR est Szeet Lee "Semiconductor Devices, 3rd ed." (Dispositifs à semi-conducteurs, 3e éd.).

Qu'est-ce que l'angle de rayonnement principal d'une lentille ?

Le rayon principal d'une lentille est le rayon qui passe par le centre du diaphragme d'un système optique.

Si vous regardez une lentille depuis l'espace objet, le rayon principal est le rayon qui traverse l'axe optique au niveau de la pupille d'entrée.

Si vous regardez depuis l'espace image, il s'agit du rayon au centre de la pupille de sortie.

La cinquième édition del'ouvrage Opticsde Hecht contient un excellent diagramme d'optique du premier ordre et une description à la page 185 pour un système d'imagerie optique général à trois éléments : 

Les rayons principaux existent pour chaque point éclairé dans l'espace objet. Voyons ce qu'il en est pour un objectif du "monde réel".

Lorsque les gens parlent de l'angle du rayon principal, ils se réfèrent généralement à l'"ARC maximal" qui correspond au champ de vision le plus large d'une combinaison d'objectifs.

Pour comparer avec précision le rayon principal d'un objectif et le rayon principal d'un capteur, vous devez tenir compte de l'ARC dans la zone utilisable de l'image.

Dépendance oblique des microlentilles à 25° CRA(CIL023 2,2mm F/2,2)

Dépendance oblique des microlentilles à 15° CRA(CIL039 3.9mm F/2.8)

Correction de l'ombrage des couleurs dû à la non-concordance de l'ARC

CRA mismatch CAN be corrected for in post process, but ONLY in applications with well controlled static illumination such as industrial machine vision for inspection.

When the light sources change, it becomes challenging to compensate. This is due the friendly topic of metamerism. We've seen a major CRA mismatch (20° non-linear mismatch) overcome before in a regular indoor environment, so it is doable to a "good enough" extent. This requires advanced ISP tuning with a calculated pixel-level spectral energy distribution 3DMLUT approach. This in turn will slow down other performance metrics in your camera and/or require more compute, so generally not the best practice to get into this sitatuon.  

Additionally, there are only a handful of leading image quality experts with the requisite knowhow and experience to get to a "good enough" quality with a >15° nonlinear mismatch with a sensor at 33°.  I estimate <50 people in the world and it is near impossible to hire them as they are in high demand at big tech companies. So unless you are fortunate enough to be on a team with one of these experts, we highly advise against venturing down the rabbit hole of thinking you can solve >15° nonlinear CRA mismatch in software: your project will likely have a 6-12 month delay and budget overrun.

Regardless of the approach and expertise there will be more color tuning corner cases that occur with huge CRA mismatch, than when you have a well-matched lens to sensor CRA.

The Take-Away: We suggest Low Linear CRA (~<20°) Lenses/Sensors when Possible.

Otherwise Match the Lens Chief Ray Angle As Closely to the sensor as possible 

We generally recommend matching CRA within +/-10° if the sensor's CRA is <10°, +/-7° if the sensor's CRA is >10° and <20°, and within +/-4° if the sensor's CRA is >20°.

However, it really depends on the pixel architecture and your application.

Jon Stern from GoPro's optics team provided his opinion publicly during a talk at the Embedded Vision Summit in 2020: View Slide 22 Here.

This mismatch tolerance must hold across the entire field of view, so make sure to compare a full plot if the sensor's specification sheet says "non-linear" on it.

Incorrect CRA matching can result in radial red to green color shading from the center of an image to the corner.

This shading is dependent upon illumination conditions, so it makes Image Quality Tuning extremely difficult.

This is a common issue when trying to build a camera using a "Mobile" Sensor with an "Industrial" Lens or vis-versa. We've seen multiple startup projects run into this issue, resulting in extensive cost (>$100k) and schedule (>1yr) overruns.