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机械视觉光源色彩波长对镜头成像的影响
2022-09-23
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  光线穿透介质(玻璃、水、空气等)时,分歧波长会以分歧角度弯曲。当阳光穿透棱镜并产生彩虹效应时,时时能观察到这种情况,短波比长波的弯曲度更高。一样效应还会在尝试解析细节并获取成像系统中的信息时引起问题。为了预防此问题,成像和机械视觉系统通常使用单色照明,它只涉及一种波长或窄带光谱。单色照明现实上能够解除成像系统中所谓的色像差。(在一些多相机系统必要同步选取多色照明的场所中,通常必要在镜头前加上视觉滤光镜,仅允许单一波长的光进入镜头)

  从图像中心朝图像边缘移动时,能够看到横向色差变换(图1)。在中心地位,分歧波长的光线产生的光斑是同心的。朝图像边角移动时,波长会偏差于分离并产生彩虹效应。由于这种彩色分离,物体上的给定点将在更大的区域上成像,导致对比度降低。对于像素较幼的传感器,这一成效更为显著,由于吞吐图案会散布在更多像素上。像差若何影响机械视觉镜头关于像差的部门深刻介绍了横向色差。

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图 1: 横向色差变换


  色彩焦距对应图(图2)与镜头聚焦与其等距的所有波长的能力有关。光源色彩波长分歧,工业镜头的最佳聚焦面也分歧。这种与波长有关的焦距变换会导致图像对比度降低,由于分歧波长会在相机传感器地点的图像平面上天生分歧大幼的光斑。在图2的图像平面中,显示了红色波永天生的幼光斑、绿色波永天生的较大光斑,以及蓝色波永天生的最大光斑。一次不能聚焦所有色彩。


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图2


  从图中我们能够看到,红色绿色蓝色分歧波长色彩的机械视觉光源,最佳的对焦点是不一样的。


  怎么选择最佳波长单色照明可通过解除色聚焦变换和横向色像差来提高对比度?伤媸币訪ED照明和激光的大局,或通过使用滤光器来获得单色照明。但是,分歧波长可能会在系统中产生分歧的MTF影响。衍射极限造义凭据艾里斑直径(与波长(λ)有关)的界说,美满镜头理论上可产生的最幼光斑。使用方程式1能够分析分歧波长和分歧f/#时的光斑大幼更改。

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  下图表选取分歧光圈下针对紫光(405nm)到近红表光(880nm)领域内的波长推算得出的艾里斑直径。该数据明显地批注,镜头系统在与较短波长共同使用时,理论分辨率和机能更佳。相识这一点拥有诸多益处。首先,由于较短的波长可实现尺寸更幼的光斑,因而能更好地利用分歧大幼的传感器像素。这在拥有极幼像素的传感器上尤为显著。其次,它允许更矫捷地使用较高的光圈,从而可能获得更大的景深。例如,可在光圈f/2.8下使用红色LED天生4.51μm的光斑大幼,或者在f/4下使用蓝色LED天生险些与其一样的光斑大幼。若是这两个选项都在最佳焦点下产生可接受的机能级别,则在f/4下使用蓝光设置的系统能产生更好的景深,而这可能是有关利用的关键要求。

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  分歧波长和镜头光圈下的理论艾里斑直径光斑大幼(μm)


利用案例1:图像质量随波长改善

  两张图像都是选取产生一样视场的一样镜头和相机拍摄的,因而能在物体上出现一样的空间分辨率(lp/mm)。相机利用3.45μm像素。左图和右图中所使用的照明别离在660nm和470nm时设置。高分辨率镜头被设置为拥有较高的f/#,
以显著削减像差影响。这使衍射成为系统中的重要限度成分。蓝色圆圈暗示图左图中的极限分辨率。请把稳,右图的可解析细节得到了大幅提升(细节细腻度提高了约50%)。即便在频率较低(线条更宽)时,右图中使用470nm照明也能提供较高的对比度级别。


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  选取一样镜头和传感器在一样光圈下拍摄的星标图像。光源波长在660nm(a)到470nm(b)领域内变动。


利用案例2:白光与单色波长照明

  一样镜头在一样工作距离和f/#下使用。左图使用白光,右图则使用470nm照明。在左图中,奈奎斯特极限下的所有机能均不高于50%。对于右图,奈奎斯特极限下的所有机能均高于左图。此表,右图中系统中心的机能高于左图的衍射极限。这一机能提升归功于以下两方面的原因:使用单色光解除了系统中的色像差,这通常可能产生幼得多的光斑;470nm照明是用于可见领域成像的光线的最短波长之一。如衍射极限和艾里斑部门所详述,较短波长可实现较高的分辨率。

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选择波长应该思考的事项
  必要相识波长变动会产生的一些问题。从镜头设计的角度看,随着波长变短,进入光谱的蓝色部门会变多,镜头设计的难度也会增长,不论所使用的波段有多窄。现实上,玻璃资料在波长较短的情况下往往阐发欠安。此光谱区域内简直可选取一些设计,但这些设计通常职能有限,并且造作镜头所需的特殊资料可能价值不菲。表1中的最佳理论机能是在紫色波长(405nm)下获得的,但大无数系统设计在此区域内阐发欠安。务必使用镜头机能曲线来评估镜头在此类短波长下的现实阐发。


利用案例3:理论极限
  对比了使用蓝色(470nm)和紫色(405nm)波长的35mm镜头在f/2孔径下的阐发(别离为下图)。只管左图的衍射极限较低,但它也显示了470nm波长在所有视场地位都能产生较高的机能。在f/#和工作距离的极限设计能力下使用镜头时,此处的影响会加剧。




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