本文仅考虑光源颜色波长对镜头成像性能的影响（关于机器视觉光源颜色波长在应对不同检测对象的选型请见FA知识库关

于视觉光源选型的文章）

光线穿透介质（玻璃、水、空气等）时，不同波长会以不同角度弯曲。当阳光穿透棱镜并产生彩虹效应时，常常能观察到

这种情况，短波比长波的弯曲度更高。相同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。为了避免此问

题，成像和机器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。单色照明实际上可以消除成像系统中所谓的

色像差。(在一些多相机系统需要同步采用多色照明的场合中，通常需要在镜头前加上富爱其光电机器视觉滤光镜，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，可以看到横向色差变换（图1）。在中心位置，不同波长的光线产生的光斑是同心的。朝图

像边角移动时，波长会倾向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。对于像素较小的传感器，这一效果更为显著，因为模糊图案会分布在更多像素上。像差如何影响机器视觉镜头关于

像差的部分深入介绍了横向色差。

图 1: 横向色差变换。

颜色焦距对应图（图2）与镜头聚焦与其等距的所有波长的能力相关。光源颜色波长不同，工业镜头的最佳聚焦面也不同。

这种与波长相关的焦距变换会导致图像对比度降低，因为不同波长会在相机传感器所在的图像平面上生成不同大小的光斑.

在图3.7的图像平面中，显示了红色波长生成的小光斑、绿色波长生成的较大光斑，以及蓝色波长生成的最大光斑。一次

不能聚焦所有颜色。

图2、从图中我们可以

看到，红色绿色蓝色不同波长颜色的机器视觉光源，最佳的对焦点是不一样的。

怎么选择最佳波长

单色照明可通过消除色聚焦变换和横向色像差来提高对比度。可随时以LED照明和激光的形式，或通过使用滤光器来获得

单色照明。但是，不同波长可能会在系统中产生不同的MTF影响。衍射极限定义根据艾里斑直径（与波长(λ)相关）的定义，

完美镜头理论上可产生的最小光斑。使用方程式1可以分析不同波长和不同f/#时的光斑大小更改。

表1采用不同光圈下针对紫光(405nm)到近红外光(880nm)范围内的波长计算得出的艾里斑直径。该数据清楚地表明，镜

头系统在与较短波长配合使用时，理论分辨率和性能更佳。了解这一点具有诸多好处。首先，由于较短的波长可实现尺寸

更小的光斑，因此能更好地利用不同大小的传感器像素。这在具有极小像素的传感器上尤为显著。其次，它允许更灵活地

使用较高的光圈，从而能够获得更大的景深。例如，可在光圈f/2.8下使用红色LED生成4.51μm的光斑大小，或者在f/4下

使用蓝色LED生成几乎与其相同的光斑大小。如果这两个选项都在最佳焦点下产生可接受的性能级别，则在f/4下使用蓝光

设置的系统能产生更好的景深，而这可能是相关应用的关键要求。

   表 1: 不同波长和镜头光圈下的理论艾里斑直径光斑大小(μm)

应用案例1：图像质量随波长改善

图3中的两张图像都是采用产生相同视场的相同镜头和相机拍摄的，因此能在物体上呈现相同的空间分辨率(lp/mm)。相

机利用3.45μm像素。图3a和图3b中所使用的照明分别在660nm和470nm时设置。高分辨率镜头被设置为具有较高的f/#，

以显著减少像差影响。这使衍射成为系统中的主要限制因素。蓝色圆圈表示图3a中的极限分辨率。请注意，图3b的可解析

细节得到了大幅提升（细节细腻度提高了约50%）。即使在频率较低（线条更宽）时，图3b中使用470nm照明也能提供较

高的对比度级别。

图 3: 采用相同镜头和传感器在相同光圈下拍摄的星标图像。光源波长在660nm(a)到470nm(b)范围内变化。

应用案例2：白光与单色波长照明

在图4中，相同镜头在相同工作距离和f/#下使用。图4a使用白光，图4b则使用470nm照明。在图4a中，奈奎斯特极

限下的所有性能均不高于50%。对于图4b，奈奎斯特极限下的所有性能均高于图4a。此外，图4b中系统中心的性能高

于图4a的衍射极限。这一性能提升归功于以下两方面的原因：使用单色光消除了系统中的色像差，这通常能够产生小得

多的光斑；470nm照明是用于可见范围成像的光线的最短波长之一。如衍射极限和艾里斑部分所详述，较短波长可实现

较高的分辨率。

选择波长应该考虑的事项

需要了解波长变化会产生的一些问题。从镜头设计的角度看，随着波长变短，进入光谱的蓝色部分会变多，镜头设计的难

度也会增加，不管所使用的波段有多窄。实际上，玻璃材料在波长较短的情况下往往表现不佳。此光谱区域内的确可采用

一些设计，但这些设计通常功能有限，并且制造镜头所需的特殊材料可能价格不菲。表1中的最佳理论性能是在紫色波长

(405nm)下取得的，但大多数系统设计在此区域内表现不佳。务必使用镜头性能曲线来评估镜头在此类短波长下的实际表现。

应用案例3：理论极限

图5对比了使用蓝色(470nm)和紫色(405nm)波长的35mm镜头在f/2孔径下的表现（分别为5a和5b）。尽管图5a的衍

射极限较低，但它也显示了470nm波长在所有视场位置都能产生较高的性能。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。

            图 5: 35mm镜头(f/2)使用470nm(a)和405nm(b)光源波长照明时的MTF曲线。

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