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技術(shù)文章

波長(zhǎng)對(duì)性能的影響

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波長(zhǎng)對(duì)性能的影響

光線穿透介質(zhì)(玻璃、水、空氣等)時(shí),不同波長(zhǎng)會(huì)以不同角度彎曲。當(dāng)陽(yáng)光穿透棱鏡并產(chǎn)生彩虹效應(yīng)時(shí),常常能觀察到這種情況,短波比長(zhǎng)波的彎曲度更高。相同效應(yīng)還會(huì)在嘗試解析細(xì)節(jié)并獲取成像系統(tǒng)中的信息時(shí)引起問(wèn)題。為了避免此問(wèn)題,成像和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通常使用單色照明,它只涉及一種波長(zhǎng)或窄帶光譜。單色照明(例如,來(lái)自660nm的LED)實(shí)際上可以消除成像系統(tǒng)中所謂的色像差。

色像差


圖 1:橫向色差變換。

色像差以兩種基本形式存在:橫向色差變換(圖1)和色焦距變換(圖2) 。

從圖像中心朝圖像邊緣移動(dòng)時(shí),可以看到橫向色差變換(圖1)。在中心位置,不同波長(zhǎng)的光線產(chǎn)生的光斑是同心的。朝圖像邊角移動(dòng)時(shí),波長(zhǎng)會(huì)傾向于分離并產(chǎn)生彩虹效應(yīng)。由于這種彩色分離,物體上的給定點(diǎn)將在更大的區(qū)域上成像,導(dǎo)致對(duì)比度降低。對(duì)于像素較小的傳感器,這一效果更為顯著,因?yàn)槟:龍D案會(huì)分布在更多像素上。像差如何影響機(jī)器視覺(jué)鏡頭關(guān)于像差的部分深入介紹了橫向色差。

色焦距變換(圖2)與鏡頭聚焦與其等距的所有波長(zhǎng)的能力相關(guān)。波長(zhǎng)不同,聚焦面也不同。這種與波長(zhǎng)相關(guān)的焦距變換會(huì)導(dǎo)致對(duì)比度降低,因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)會(huì)在相機(jī)傳感器所在的圖像平面上生成不同大小的光斑。在圖3.7的圖像平面中,顯示了紅色波長(zhǎng)生成的小光斑、綠色波長(zhǎng)生成的較大光斑,以及藍(lán)色波長(zhǎng)生成的大光斑。一次不能聚焦所有顏色。像差如何影響機(jī)器視覺(jué)鏡頭關(guān)于像差的內(nèi)容中提供了更多詳細(xì)信息。


圖 2:色焦距變換

選擇波長(zhǎng)

單色照明可通過(guò)消除色聚焦變換和橫向色像差來(lái)提高對(duì)比度。可隨時(shí)以LED照明和激光的形式,或通過(guò)使用濾光器來(lái)獲得單色照明。但是,不同波長(zhǎng)可能會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生不同的MTF影響。衍射極限定義根據(jù)艾里斑直徑(與波長(zhǎng)(λ)相關(guān))的定義,完美鏡頭理論上可產(chǎn)生的小光斑。有關(guān)艾里斑和衍射極限的更多詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)分辨率與對(duì)比度限制:艾里斑。使用方程式1可以分析不同波長(zhǎng)和不同f/#時(shí)的光斑大小更改。

(1)小光斑大小(艾里斑直徑)[μm]=2.44×λ[μm]×(f/#)小光斑大小(艾里斑直徑)[μm]=2.44×λ[μm]×(f/#)

表1采用不同f/#下針對(duì)紫光(405nm)到近紅外光(880nm)范圍內(nèi)的波長(zhǎng)計(jì)算得出的艾里斑直徑。該數(shù)據(jù)清楚地表明,鏡頭系統(tǒng)在與較短波長(zhǎng)配合使用時(shí),理論分辨率和性能更佳。了解這一點(diǎn)具有諸多好處。首先,由于較短的波長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)尺寸更小的光斑,因此能更好地利用不同大小的傳感器像素。這在具有極小像素的傳感器上尤為顯著。其次,它允許更靈活地使用較高的f/#,從而能夠獲得更大的景深。例如,可在f/2.8下使用紅色LED生成4.51μm的光斑大小,或者在f/4下使用藍(lán)色LED生成幾乎與其相同的光斑大小。如果這兩個(gè)選項(xiàng)都在焦點(diǎn)下產(chǎn)生可接受的性能級(jí)別,則在f/4下使用藍(lán)光設(shè)置的系統(tǒng)能產(chǎn)生更好的景深,而這可能是相關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵要求。傳感器的相對(duì)照明、衰減與光暈的部分對(duì)此做了詳細(xì)介紹。


表 1:不同波長(zhǎng)和f/#下的理論艾里斑直徑光斑大小(μm)

示例1:隨波長(zhǎng)改善

圖3中的兩張圖像都是采用產(chǎn)生相同視場(chǎng)的相同鏡頭和相機(jī)拍攝的,因此能在物體上呈現(xiàn)相同的空間分辨率(lp/mm)。相機(jī)利用3.45μm像素。圖3a和圖3b中所使用的照明分別在660nm和470nm時(shí)設(shè)置。高分辨率鏡頭被設(shè)置為具有較高的f/#,以顯著減少像差影響。這使衍射成為系統(tǒng)中的主要限制因素。藍(lán)色圓圈表示圖3a中的極限分辨率。請(qǐng)注意,圖3b的可解析細(xì)節(jié)得到了大幅提升(細(xì)節(jié)細(xì)膩度提高了約50%)。即使在頻率較低(線條更寬)時(shí),圖3b中使用470nm照明也能提供較高的對(duì)比度級(jí)別。


圖 3:采用相同鏡頭和傳感器在相同f/#下拍攝的星標(biāo)圖像。波長(zhǎng)在660nm(a)到470nm(b)范圍內(nèi)變化。

示例2:白光與單色MTF

在圖4中,相同鏡頭在相同工作距離和f/#下使用。圖4a使用白光,圖4b則使用470nm照明。在圖4a中,奈奎斯特極限下的所有性能均不高于50%。對(duì)于圖4b,奈奎斯特極限下的所有性能均高于圖4a。此外,圖4b中系統(tǒng)中心的性能高于圖4a的衍射極限。這一性能提升歸功于以下兩方面的原因:使用單色光消除了系統(tǒng)中的色像差,這通常能夠產(chǎn)生小得多的光斑;470nm照明是用于可見(jiàn)范圍成像的光線的短波長(zhǎng)之一。如衍射極限和艾里斑部分所詳述,較短波長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。



圖 4:相同鏡頭在f/2下使用不同波長(zhǎng)的MTF曲線;白光(a(top))和470nm(b(bottom))。

波長(zhǎng)考慮事項(xiàng)

需要了解波長(zhǎng)變化會(huì)產(chǎn)生的一些問(wèn)題。從鏡頭設(shè)計(jì)的角度看,隨著波長(zhǎng)變短,進(jìn)入光譜的藍(lán)色部分會(huì)變多,鏡頭設(shè)計(jì)的難度也會(huì)增加,不管所使用的波段有多窄。實(shí)際上,玻璃材料在波長(zhǎng)較短的情況下往往表現(xiàn)不佳。此光譜區(qū)域內(nèi)的確可采用一些設(shè)計(jì),但這些設(shè)計(jì)通常功能有限,并且制造鏡頭所需的特殊材料可能價(jià)格不菲。表1中的理論性能是在紫色波長(zhǎng)(405nm)下取得的,但大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在此區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)不佳。務(wù)必使用鏡頭性能曲線來(lái)評(píng)估鏡頭在此類(lèi)短波長(zhǎng)下的實(shí)際表現(xiàn)。

示例3:理論極限

圖5對(duì)比了使用藍(lán)色(470nm)和紫色(405nm)波長(zhǎng)的35mm鏡頭在f/2孔徑下的表現(xiàn)(分別為5a和5b)。盡管圖5a的衍射極限較低,但它也顯示了470nm波長(zhǎng)在所有視場(chǎng)位置都能產(chǎn)生較高的性能。在f/#和工作距離的極限設(shè)計(jì)能力下使用鏡頭時(shí),此處的影響會(huì)加?。ㄔ斠?jiàn)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)與MTF曲線中關(guān)于MTF的內(nèi)容)。

另一個(gè)會(huì)顯著影響性能的波長(zhǎng)問(wèn)題與色焦距變換相關(guān)。隨著應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍增加,鏡頭維護(hù)高性能水平的能力會(huì)受到影響。像差如何影響機(jī)器視覺(jué)鏡頭中有關(guān)像差的內(nèi)容對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了詳述。



圖 5:35mm鏡頭(f/2)使用470nm(a)和405nm(b)波長(zhǎng)照明時(shí)的MTF曲線。

 

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