像差如何影响成像

In: 镜头知识 On: Saturday, November 30, 2019 Hit: 763

导读:在指定满足机器视觉应用需求的镜头时,系统开发人员必须选择能够忠实再现成像对象的产品。为此,机器视觉镜头必须尽可能不受任何可能的图像失真影响。通过了解这些效果以及如何评估它们,设计人员可以更准确地确定最能满足其应用需求的镜片类型。

      1857年,菲利普·路德维希··塞德尔(PhilippLudwig von Seidel)描述了五种类型的镜头像差:球面像差,彗差,像散,像场弯曲和畸变(图1)。尽管这五个赛德尔像差是在单色光穿过镜头时发生的,但当存在多色光时,也会出现轴向和横向色差。尽管每个镜头都存在某种形式的像差,但制造商现在提供的镜头可将这些影响降至最低。

图1

      由于设计镜头的方式而产生这种失真效果。例如,在最简单的球面透镜中,穿过透镜边缘传播的光线会比穿过透镜中心传播的光线聚焦得更强烈。由于所有光线未完全聚焦,这会导致图像模糊,因为镜头会将图像中的一个点成像为一个点而不是一个点(图2)。 

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      为了克服这种球差,可以使用多个透镜元件。或者,镜片设计师可以选择在其设计中加入非球面元素。在其Vari-Focal系列1/3英寸格式镜头中使用了非球面镜片。与简单的球面透镜不同,这种非球面透镜的曲率从边缘到中心都不同,从而减少了球面畸变的影响。

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      穿过距离透镜光轴更远的点的光线将比靠近球面透镜的光线更近地折射。因此,与通过透镜轴的光线相比,来自轴外点光源的光可能会失真,从而形成更大的图像。这种像差称为彗差,导致离轴点源在像平面处看起来像泪滴或彗星一样的外观(图3)。

      结合在一起,球面像差和彗差会使光线穿过镜头时变形,从而导致图像的形状和(或)图像不规则。为了使这些影响最小化,需要使用多个透镜元件的非平面透镜。

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      正如单个波长的光将聚焦在不同的焦点上一样,不同波长的光也将聚焦在不同的焦点上。发生色差是因为透镜的折射率随波长的变化而略有变化。由于蓝光(短波长)的折射率大于红光(长波长)的折射率,因此不同的波长将沿轴聚焦在不同的焦点上,从而导致轴向色差(图4)。

 

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      轴向色差不是唯一可能发生的色差。由于透镜的放大倍数也随光的波长而变化,因此不同的波长也可能会聚焦在像平面的不同点上(图5)。该横向色差导致在图像的高对比度区域中出现色带。为了减少色差的影响,使用了消色差透镜。通过使用不同类型的透镜元件,它们可以折射光学系统中不同强度的光,这些杂技镜片被设计为将两个波长的光聚焦到同一平面上。

      为了使三个波长在同一平面上聚焦,通常需要由三个或更多透镜元件制成的复消色差透镜。在高分辨率机器视觉应用设计时这是要必须严格校正的像差,必须减少轴向色差和色边效应来控制光波长对成像的影响。

 

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      选择具有不同玻璃类型的多个物镜元件也可以减少其他像差(例如像散)的影响。像散会导致水平和垂直方向的光线具有不同的焦点(图6)。在此,焦距差(称为像散距离)被用作对镜头中存在的像散量的度量。

      像散光一样,球面透镜中像场弯曲的影响也可能导致图像模糊。发生此现象的原因是透镜中的弯曲光学元件会将物体成像到弯曲表面上。在这种情况下,所得图像不会模糊,而只会投影到曲面上。但是,由于数码相机中的图像平面是平坦的,因此捕获的图像将显示出像差。

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      在简单的情况下,光线可能会聚焦在镜架的中央,但是图像的清晰度会从镜头的中央逐渐降低。在使用多个透镜元件的实际镜头中,像场弯曲通常会出现波状像场弯曲(图7)。在这种情况下,镜头可能会显示出清晰的中心和角落性能,但在其他点上则不那么清晰。

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      特殊的,还有某些像差不会使图像模糊,而是会朝着光轴或远离光轴径向移动图像点。在桶形失真中,图像放大倍率随距光轴的距离而减小,从而导致图像看起来呈桶形。如果镜头中存在枕形畸变,则图像放大率会随着距光轴的距离而增加,从而导致在镜头外围成像的点向中心弯曲(图8)。

      当为特定的视觉系统指定镜头时,设计人员应寻找尽可能少的球差,彗形像差,像散,场曲,畸变和色差的透镜。要了解多少这些像差会影响镜头或镜头系统的性能,镜头的调制传递函数可以显示镜头的性能。通过提供图像与物体对比度的比率(光学传递函数(或MTF)的模数),此类图表可用于评估随着被成像物体的空间频率增加,镜头的表现如何变化。当空间频率增加时,MTF降低;当MTF达到零时,以线对/mm为单位的空间频率提供了镜头分辨力的度量。

 

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      在此图表中,黑线表示衍射极限,而蓝线表示同轴性能。该行不会分成“ T”“ S”分量,因为它们在轴上始终相等。图中的绿线对代表全视场70%时的MTF。在这里,线分裂了,切向焦点比矢状焦点大为改善,因此切向MTF曲线高于矢状MTF曲线。红线显示的是全场位置。

      尽管MTF图表可以比较单个制造商的类似镜片,但是各个制造商使用的不同测试方法使得很难比较不同供应商的镜片。最后,由于其他因素(例如滤镜,成像传感器和相机读数电子设备)也会影响图像质量,因此,MTF图表仅应在比较镜头时起较大作用。

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