光的波長對成像性能的影響

當(dāng)光穿過介質(zhì)（玻璃、水、空氣等）時，不同的波長會以不同的角度彎曲。這通常是在陽光穿過棱鏡并產(chǎn)生彩虹效果時觀察到的；較短的波長比較長的波長彎曲得更多。當(dāng)試圖在成像系統(tǒng)中解析細(xì)節(jié)和獲取信息時，同樣的情形會產(chǎn)生問題。為了避免這個問題，成像和機(jī)器視覺系統(tǒng)通常使用單色照明，它只涉及單一波長或光譜的窄帶。單色照明，例如來自660nmLED，實(shí)際上消除了成像系統(tǒng)中所謂的色差。

波長的影響

單色照明通過消除色焦偏移和橫向色差來增強(qiáng)對比度。很容易以LED照明、激光和通過使用過濾器的形式獲得。但是，不同波長在系統(tǒng)中可能產(chǎn)生不同的MTF效應(yīng)。衍射極限定義了完美透鏡可以產(chǎn)生的最小理論光斑，例如艾里斑直徑與波長相關(guān)的定義。

下表展示了不同波長下針對不同孔徑所產(chǎn)生的艾里斑直徑數(shù)據(jù)。

此數(shù)據(jù)說明，鏡頭在與短波長的光配合使用時，理論分辨率和性能會更好。在波長越短時，產(chǎn)生的光斑更小，可以適配于更小像元的傳感器。并且，可以利用f/#，來獲得更大的景深。

下面兩張圖像為同一相機(jī)拍攝的同一視場，因此空間分辨率是相同的，左圖和右圖使用的照明分別在660nm和470nm時設(shè)置。高分辨率鏡頭被設(shè)置為具有較高的f/#，以此來減少像差對成像的影響，這使衍射成為影響成像的主要原因。由圖可以對比看出，470nm波長下的照明成像，能夠提供一個較高的對比度，和一個較高的清晰程度。

對于普通鏡頭而言，使用相同的鏡頭在相同的工作距離和f/#下，使用白光和使用470nm波長的光源進(jìn)行照明會有不一樣的結(jié)果。在圖中，白光下的鏡頭的奈奎斯特極限下的所有性能均不高于50%；470nm光波長情況下，奈奎斯特極限下的所有性能均高于白光下的。此外，470nm下的系統(tǒng)中心的性能高于白光下的衍射極限。這一提升得益于以下兩方面原因：1、使用單色光消除了系統(tǒng)中的色像差；2、470nm波長的光是用于可見范圍成像光線的最短波長之一。所以較短的波長能夠?qū)崿F(xiàn)較高的分辨率。

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