最小化球差：為您的成像系統(tǒng)選擇合適的鏡頭

什么是球差?為什么會發(fā)生球差?  

即使使用精密的鏡頭系統(tǒng)，也很難將整個圖像聚焦。球面鏡頭的光線會根據(jù)光線通過的表面位置而發(fā)生不同程度的彎曲。下面圖1中，光線以不同的角度折射，鏡頭上的曲線越陡，折射角越大。對于使用球面玻璃的相機(jī)鏡頭，靠近玻璃邊緣的表面始終會以更陡峭的角度折射光線。這會產(chǎn)生一些入射光，主要表現(xiàn)為靠近曲面邊緣的光，在所需焦面之前聚焦。這種現(xiàn)象稱為球差。

球差表示圖像邊緣模糊度。相機(jī)使用球面鏡頭會導(dǎo)致靠近鏡頭邊緣（遠(yuǎn)離光軸）的光線在更靠近鏡頭的位置聚集（如圖1所示）?？拷廨S的光線稱為近軸光線，靠近鏡頭外圍的光線稱為邊緣光線。應(yīng)該注意的是，幾乎所有相機(jī)光學(xué)元件都使用球面透鏡。

這與放大鏡通過鏡頭中心聚焦至最佳點(diǎn)的方法類似。圖2突出顯示了電路在中心附近的焦點(diǎn)，但電路板的其余部分（尤其是文本）失焦。

圖3顯示了球差的另一個示例，其中使用放大鏡對Teledyne Lumenera手冊上的文本進(jìn)行成像。在這張圖像中，文本的中心（“Teledyne”）仍然聚焦。但是，文本在圖像邊緣處失焦。圖3中的桶形失真放大了失焦問題，但在實(shí)際設(shè)置中，球差可能導(dǎo)致圖像模糊并丟失幀邊緣附近的重要圖像數(shù)據(jù)。

為什么球差對成像應(yīng)用很重要? 

圖像清晰度是設(shè)計(jì)視覺系統(tǒng)時必須考慮球差的最重要原因。如果不進(jìn)行校正，生成的圖像邊緣可能會出現(xiàn)輕微、甚至非常強(qiáng)烈的模糊感。在某些情況下，這種模糊可能會導(dǎo)致圖像“切斷”目標(biāo)或環(huán)境的重要部分。如果沒有邊緣到邊緣的清晰度，圖像分析過程會更難。

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（在高空使用非常寬闊的視野）等應(yīng)用中，確保始終存在相同的邊緣到邊緣清晰度至關(guān)重要。進(jìn)行后處理協(xié)助分析時尤其如此，例如監(jiān)測作物健康狀況使用的NDVI，或利用更高位深度的軟件來實(shí)際生成分析本身。

如需了解NDVI和更多關(guān)于位深對圖像分析的重要性，請閱讀Teledyne Lumenera的博文《利用數(shù)字成像測量植被健康》（鏈接：https://www.lumenera.com/blog/vegetation-indices-measuring-vegetation-health-with-digital-imaging）和《深入探索位深》（鏈接：https://www.lumenera.com/blog/bit-depth）。

在航空成像中，軟件拼接用于將圖像組合成更大的鑲嵌圖。使用多臺相機(jī)增加捕獲圖像數(shù)據(jù)的像素數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)這一目的。但是，如果發(fā)生球差，由于缺乏圖像邊緣清晰度，可能會很難實(shí)現(xiàn)鑲嵌圖效果。圖像拼接在一起時，需要一定程度的重疊，從而確保圖像適當(dāng)對齊。如果每張圖像的邊緣都沒有充分聚焦，軟件對齊和拼接圖像的能力就會受到影響。因此，可能需要使用更多的圖像進(jìn)行重疊，以彌補(bǔ)清晰度的不足，從而有效減少獨(dú)特信息成像使用的像素數(shù)量。

如需了解航空成像中使用多臺相機(jī)相關(guān)的更多信息，請閱讀我們的白皮書《在航空成像中使用單臺相機(jī)還是多臺相機(jī)》（白皮書下載鏈接：https://www.lumenera.com/media/wysiwyg/documents/casestudies/Using_Single_vs_Multi_Cameras_in_Aerial_Imaging-White_Paper.pdf）。

歸根結(jié)底還是要選擇合適的鏡頭 

在使用單透鏡元件的早期光學(xué)系統(tǒng)中，解決球差的方法是增加一個小光圈。光線通過狹窄路徑后，來自鏡頭邊緣的失焦光線會被阻擋，只允許光線通過鏡頭中心附近。這樣一來會產(chǎn)生更清晰的圖像，但同時也會降低亮度。因此，使用校正球差的鏡頭系統(tǒng)有助于防止出現(xiàn)圖像質(zhì)量不佳問題，同時保持所需光量。然而，即使采用能夠調(diào)整球差的現(xiàn)代鏡頭設(shè)計(jì)，在光線充足的情況下，使用較小的光圈仍然是使全畫幅對焦的常見解決方案。

如需進(jìn)一步了解光圈在成像中的作用，請參閱Teledyne Lumenera的博文《通過鏡頭光圈優(yōu)化提高成像系統(tǒng)性能》（文章鏈接：https://www.lumenera.com/blog/improving-imaging-system-performance-with-lens-aperture-optimization）。

對于工業(yè)應(yīng)用而言，如果相機(jī)未在受控環(huán)境（例如顯微鏡）中進(jìn)行使用，那么尋找解決方案可能會更有難度。鏡頭制造商可能具備更高質(zhì)量的鏡頭設(shè)計(jì)，可以校正多種類型的像差，但大多數(shù)使用球面玻璃的鏡頭系統(tǒng)仍會在一定程度上發(fā)生球差。即使有適當(dāng)校正，球形玻璃帶來的物理限制難以將所有入射光線聚焦到一個點(diǎn)上。但適當(dāng)?shù)溺R頭設(shè)計(jì)可以在很大程度上調(diào)整球差，拍攝出所有重要細(xì)節(jié)的圖像。

鏡頭校正球差的一種方法是調(diào)整鏡頭元件的物理形狀。磨削加工鏡頭，使鏡頭在中心附近位置突出，并對邊緣進(jìn)行一定的調(diào)整后，鏡頭可以校正邊緣處的聚焦并讓所有光線適當(dāng)對齊。如圖4中的非球面鏡頭所示。在此圖像中，將標(biāo)準(zhǔn)球面鏡頭與非球面鏡頭進(jìn)行了比較。標(biāo)準(zhǔn)鏡頭會產(chǎn)生幾個焦點(diǎn)，但使用非球面鏡頭就可以解決這個問題，非球面鏡頭可以將所有光線聚焦到一個點(diǎn)。

根據(jù)預(yù)算，用戶會基于多種因素選擇鏡頭，而不僅僅是對球差的校正能力。顯微鏡可以搭配購買特殊光學(xué)元件，甚至軟件解決方案來協(xié)助進(jìn)行圖像校正，例如Teledyne Lumenera的INFINITY ANALYZE 7，這款顯微相機(jī)軟件內(nèi)置球差校正。然而，鏡頭的物理限制問題并不能完全解決，由于鏡頭選擇多樣，永遠(yuǎn)不會有一只鏡頭總能拍攝出“完美”的圖像。專業(yè)人士通常需要購買各種類型的鏡頭，因?yàn)樾枰粩噙m應(yīng)新的成像目標(biāo)和成像環(huán)境。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，球差是必然會出現(xiàn)的問題，但借助現(xiàn)代技術(shù)，拍攝出的圖像幾乎可以忽略任何肉眼可見的缺陷。

數(shù)百年來，相機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，光學(xué)元件質(zhì)量不斷提高。逐步提高圖像質(zhì)量一直是相機(jī)行業(yè)的一貫趨勢。撰寫這篇博文時，《應(yīng)用光學(xué)》雜志（Doc. ID 351567）針對無球差鏡頭設(shè)計(jì)發(fā)表了相對較新的研究結(jié)果。這表明光學(xué)系統(tǒng)一直在不斷發(fā)展壯大。鏡頭制造商將繼續(xù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更多細(xì)節(jié)更精細(xì)的產(chǎn)品選項(xiàng)，并在前幾代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。