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最小化球差:为您的成像系统选择合适的镜头

最小化球差:为您的成像系统选择合适的镜头

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什么是球差?为什么会发生球差?  

即使使用精密的镜头系统,也很难将整个图像聚焦。球面镜头的光线会根据光线通过的表面位置而发生不同程度的弯曲。下面图1中,光线以不同的角度折射,镜头上的曲线越陡,折射角越大。对于使用球面玻璃的相机镜头,靠近玻璃边缘的表面始终会以更陡峭的角度折射光线。这会产生一些入射光,主要表现为靠近曲面边缘的光,在所需焦面之前聚焦。这种现象称为球差。

球差表示图像边缘模糊度。相机使用球面镜头会导致靠近镜头边缘(远离光轴)的光线在更靠近镜头的位置聚集(如图1所示)。靠近光轴的光线称为近轴光线,靠近镜头外围的光线称为边缘光线。应该注意的是,几乎所有相机光学元件都使用球面透镜。

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这与放大镜通过镜头中心聚焦至最佳点的方法类似。图2突出显示了电路在中心附近的焦点,但电路板的其余部分(尤其是文本)失焦。

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图3显示了球差的另一个示例,其中使用放大镜对Teledyne Lumenera手册上的文本进行成像。在这张图像中,文本的中心(“Teledyne”)仍然聚焦。但是,文本在图像边缘处失焦。图3中的桶形失真放大了失焦问题,但在实际设置中,球差可能导致图像模糊并丢失帧边缘附近的重要图像数据。

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为什么球差对成像应用很重要? 

图像清晰度是设计视觉系统时必须考虑球差的最重要原因。如果不进行校正,生成的图像边缘可能会出现轻微、甚至非常强烈的模糊感。在某些情况下,这种模糊可能会导致图像“切断”目标或环境的重要部分。如果没有边缘到边缘的清晰度,图像分析过程会更难。

在精准农业(在高空使用非常宽阔的视野)等应用中,确保始终存在相同的边缘到边缘清晰度至关重要。进行后处理协助分析时尤其如此,例如监测作物健康状况使用的NDVI,或利用更高位深度的软件来实际生成分析本身。

如需了解NDVI和更多关于位深对图像分析的重要性,请阅读Teledyne Lumenera的博文《利用数字成像测量植被健康》(链接:https://www.lumenera.com/blog/vegetation-indices-measuring-vegetation-health-with-digital-imaging)和《深入探索位深》(链接:https://www.lumenera.com/blog/bit-depth)。

在航空成像中,软件拼接用于将图像组合成更大的镶嵌图。使用多台相机增加捕获图像数据的像素数量,可以实现这一目的。但是,如果发生球差,由于缺乏图像边缘清晰度,可能会很难实现镶嵌图效果。图像拼接在一起时,需要一定程度的重叠,从而确保图像适当对齐。如果每张图像的边缘都没有充分聚焦,软件对齐和拼接图像的能力就会受到影响。因此,可能需要使用更多的图像进行重叠,以弥补清晰度的不足,从而有效减少独特信息成像使用的像素数量。

如需了解航空成像中使用多台相机相关的更多信息,请阅读我们的白皮书《在航空成像中使用单台相机还是多台相机》(白皮书下载链接:https://www.lumenera.com/media/wysiwyg/documents/casestudies/Using_Single_vs_Multi_Cameras_in_Aerial_Imaging-White_Paper.pdf)。

归根结底还是要选择合适的镜头 

在使用单透镜元件的早期光学系统中,解决球差的方法是增加一个小光圈。光线通过狭窄路径后,来自镜头边缘的失焦光线会被阻挡,只允许光线通过镜头中心附近。这样一来会产生更清晰的图像,但同时也会降低亮度。因此,使用校正球差的镜头系统有助于防止出现图像质量不佳问题,同时保持所需光量。然而,即使采用能够调整球差的现代镜头设计,在光线充足的情况下,使用较小的光圈仍然是使全画幅对焦的常见解决方案。

如需进一步了解光圈在成像中的作用,请参阅Teledyne Lumenera的博文《通过镜头光圈优化提高成像系统性能》(文章链接:https://www.lumenera.com/blog/improving-imaging-system-performance-with-lens-aperture-optimization)。

对于工业应用而言,如果相机未在受控环境(例如显微镜)中进行使用,那么寻找解决方案可能会更有难度。镜头制造商可能具备更高质量的镜头设计,可以校正多种类型的像差,但大多数使用球面玻璃的镜头系统仍会在一定程度上发生球差。即使有适当校正,球形玻璃带来的物理限制难以将所有入射光线聚焦到一个点上。但适当的镜头设计可以在很大程度上调整球差,拍摄出所有重要细节的图像。

镜头校正球差的一种方法是调整镜头元件的物理形状。磨削加工镜头,使镜头在中心附近位置突出,并对边缘进行一定的调整后,镜头可以校正边缘处的聚焦并让所有光线适当对齐。如图4中的非球面镜头所示。在此图像中,将标准球面镜头与非球面镜头进行了比较。标准镜头会产生几个焦点,但使用非球面镜头就可以解决这个问题,非球面镜头可以将所有光线聚焦到一个点。

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根据预算,用户会基于多种因素选择镜头,而不仅仅是对球差的校正能力。显微镜可以搭配购买特殊光学元件,甚至软件解决方案来协助进行图像校正,例如Teledyne Lumenera的INFINITY ANALYZE 7,这款显微相机软件内置球差校正。然而,镜头的物理限制问题并不能完全解决,由于镜头选择多样,永远不会有一只镜头总能拍摄出“完美”的图像。专业人士通常需要购买各种类型的镜头,因为需要不断适应新的成像目标和成像环境。在现实应用中,球差是必然会出现的问题,但借助现代技术,拍摄出的图像几乎可以忽略任何肉眼可见的缺陷。

数百年来,相机技术不断发展,光学元件质量不断提高。逐步提高图像质量一直是相机行业的一贯趋势。撰写这篇博文时,《应用光学》杂志(Doc. ID 351567)针对无球差镜头设计发表了相对较新的研究结果。这表明光学系统一直在不断发展壮大。镜头制造商将继续设计和生产更多细节更精细的产品选项,并在前几代产品的基础上进行改进。

因此,具体了解需要购买哪些镜头可能会更加困难。有关Teledyne Lumenera相机和寻找适合特定应用的兼容镜头的任何问题,请联系Teledyne Lumenera的成像专家,他们随时准备为您服务。请联系lumenera.info@teledyne.com。

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审核编辑(
黄莉
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