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像差如何影响机器视觉光学镜头



机器视觉光学镜头相当于人眼的晶状体,所以在机器视觉系统中非常重要。 机器视觉光学镜头的成像质量优劣与像差校正的优良与否及像差大小有很大关系。而常见的像差有球面像差、像散差、场曲率和色像差等。下面由专业机器视觉光学系统制造商POMEAS普密斯光学分享下这几种像差如何影响机器视觉光学镜头基础知识。


一、球面像差

球面像差是指根据其接触到机器视觉光学镜头的光圈位置,在不同距离聚焦的光线,也是表示光圈大小的函数。球面透镜表面的光入射角越陡,透镜折射光线的方式中的误差就越大(图1)。具有大光圈(小f/#)的镜头更可能具有会对图像质量产生负面影响的球面像差。如果镜头有大量球面像差,则可以通过闭合虹膜来增加f/#,进而改善图像质量,但图像质量的改善程度有限。虹膜闭合过多会导致衍射限制性能。

光学设计(包括高折射率玻璃或附加元件)可用于更正快速(小f/#)镜头中的球面像差;这些设计将减少每个表面的折射量以及球面像差量。但是,这可能会导致机器视觉光学镜头组件的大小、重量以及成本增加。

二、像散差

像散是视场角函数。总的来说,像散差在机器视觉光学镜头通过广角拍摄时发生,但视场方向的性能会比视场正交方向的性能更低。如果查看一连串一半水平、一半垂直的条形,那么某个方向的条形将聚焦,但另一个方向的条形会失焦(如图2和3所示)。

这一情况是由以下原因导致的:远离物体中心的光线不会像轴光线一样通过旋转对称的表面(图4)。要更正该问题,需要完成两项操作:针对视场光线采用对称光圈设计以及低入射角度设计。保持对称设计可形成类似于双高斯镜头的外形。请记住,对称设计会阻止使用长焦或反向长焦设计,这可能会导致长焦距设计成为具有小后焦距的大短焦距设计。

减小入射角与减少球面像差类似,需要更高折射率的玻璃和额外元件,这会导致镜头的大小、重量和成本增加。此处使用的简化定义特意结合了像散和彗形像差的影响,以方便理解。


三、场曲率

场曲率(图5)是描述图像平面希望自然弯曲的放大倍率的像差。这种像差是由系统中的机器视觉光学镜头元件的焦距总和乘以折射率(不等于零)得出的。如果总和是正数(这是成像镜头典型特征),图像平面将有一个凹曲率;这就是为何影院荧幕往往略微弯曲的原因所在。由于机器视觉光学镜头很少会选择弯曲图像平面,因此设计人员必须插入凹面更正元件以降低焦距的总和。这使镜头更长,而且通常迫使凹面透镜需要靠近图像平面,从而减少镜头的后焦距。

四、色像差

色像差意味着不同波长的光聚焦在不同的点。由于玻璃的色散决定了其在不同波长下的折射能力,因此可以通过设计包含凹凸透镜(使用具有不同色散的玻璃制成)的成像镜头来去除色像差。图6描述了该情况,将单透镜与消色差双合透镜进行了对比。这种设计的一个缺点是,它增加了镜头所需的元件数量。

要减少像差,通常需要使用折射率较低(色散系数较高)的镜头。 如前文所述,需要折射率更高的机器视觉光学镜头来更正球面和像散色差;如果需要更正镜头的球面、像散和色像差,则需要额外镜头元件。此外,最理想的颜色校正玻璃所具备的属性通常会令其更加昂贵,并且难以生产。如果可能,请使用单色光尽可能减少色像差,这样可以显著节约成本并降低复杂性


五、色焦距变换

一种色像差,色焦距变换描述不同波长如何沿不同纵向位置聚焦。大多数成像镜头设计的目标都是让所需的所有波长聚焦在同一平面(传感器在系统中的位置)。从物理上来说,不可能在宽光谱范围内获得一个奇异焦点平面。但是,要非常接近这一平面是可能的。越接近所有波长聚焦的相同平面,在图像中观察到的问题就越少。

图7显示了色焦距变换曲线。由于这是消色差镜头设计的示例,因此两个波长可以同时聚焦在同一个平面上。纵轴显示从短波到长波的波长变化(在可见光谱中是从蓝色变为红色)。垂直的黑线代表平面,而其可能是传感器位置。蓝色曲线以波长函数代表最佳焦点的相对位置。曲线验证了这是一个消色差设计,因为即使稍微向左或向右移动,黑色线也只会在两个点/波长处与蓝色曲线相交。


蓝点、绿点和红点代表与常见的470nm、520nm和630nm(蓝色、绿色和红色)LED关联的波长。请注意,绿点聚焦在传感器平面的左边,而红点和蓝点则更多地聚焦在右边;如果使用了所有波长或白光(包含所有波长),则这是镜头系统最平衡的焦点位置。此设计显示的是非理想图像质量,因为没有任何波长真正聚焦。如果只使用了一个波长,则性能会得到提高,因为消除了其他波长的平衡。尽管该示例表明红光和蓝光可以平衡,但并非总是如此。大多数镜头都采用消色差设计,但对于非常小的像素来说,这可能会成为问题。

图8按照与图7相同的缩放级别显示了复消色差透镜。复消色差透镜具有三种可以同时聚焦于同一平面上的波长。尽管这是一个较为复杂的设计,但它能够在波长光谱内实现出色的平衡。如图所示,这三种LED颜色可以同时聚焦在同一传感器平面,从而实现卓越的图像质量。一般来说,复消色差透镜设计的性能较高,但多功能性较低,它们在较小的放大倍率和工作距离范围表现出色。此外,它们往往是高成本设计,因为所需的额外元件是采用昂贵的材料制作而成的。许多高端、高放大倍率的物镜都具有复消色差性。


六、标称性能和实际构建性能

“这个镜头的性能如何?”这听起来可能是一个简单的问题,但是答案可能会很复杂。对于机器视觉光学镜头,首先需要考虑某些因素,如使用的照明、与物体的工作距离、镜头的f/#和传感器尺寸。然后需要理清问题:与标称性能相比,镜头的实际构建性能如何。


标称和实际构建是什么意思?标称规格假定机器视觉光学镜头完全按照设计构建。通过采用光线追踪软件为机器视觉光学镜头建模,人们可以预测镜头在任何情况中的性能,并轻松提取数据。然而,这并非总是最佳答案,因为它假设所有因素都与模型中的指定值完全相同,但这是不可能的。


另一方面,实际构建是利用实际制造公差对机器视觉光学镜头的实际性能进行的统计预测。实际构建性能很难预测;许多必需效仿的因素可能会改变镜头的性能,如元件的绝对位置和形状,以及所使用玻璃的折射率和色散。


简单描述建模实际构建性能:每一个参数都根据公差范围随机变化,然后根据统计评估,以确定有多少随机组件已充分执行。我们会对一些特定参数进行评估,如特定频率和场点下的MTF;根据评估,可以确定机器视觉光学镜头达到性能要求的可能性。


通过查看机器视觉光学镜头的配制信息,可以轻松预测其在任何配置下以及带任何标准时的标称性能,如MTF、失真或光斑大小。虽然这并不能提供与公差、实际构建性能一样准确的预测,但它可以提供特定情况下的近似值,并且是一个实用的对比工具。



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