光的波长对视觉成像性能的影响

光的波长对成像性能的影响

当光穿过介质（玻璃、水、空气等）时，不同的波长会以不同的角度弯曲。这通常是在阳光穿过棱镜并产生彩虹效果时观察到的；较短的波长比较长的波长弯曲得更多。当试图在成像系统中解析细节和获取信息时，同样的情形会产生问题。为了避免这个问题，成像和机器视觉系统通常使用单色照明，它只涉及单一波长或光谱的窄带。单色照明，例如来自660nmLED，实际上消除了成像系统中所谓的色差。

波长的影响

单色照明通过消除色焦偏移和横向色差来增强对比度。很容易以LED照明、激光和通过使用过滤器的形式获得。但是，不同波长在系统中可能产生不同的MTF效应。衍射极限定义了完美透镜可以产生的最小理论光斑，例如艾里斑直径与波长相关的定义。

下表展示了不同波长下针对不同孔径所产生的艾里斑直径数据。

此数据说明，镜头在与短波长的光配合使用时，理论分辨率和性能会更好。在波长越短时，产生的光斑更小，可以适配于更小像元的传感器。并且，可以利用f/#，来获得更大的景深。

下面两张图像为同一相机拍摄的同一视场，因此空间分辨率是相同的，左图和右图使用的照明分别在660nm和470nm时设置。高分辨率镜头被设置为具有较高的f/#，以此来减少像差对成像的影响，这使衍射成为影响成像的主要原因。由图可以对比看出，470nm波长下的照明成像，能够提供一个较高的对比度，和一个较高的清晰程度。

对于普通镜头而言，使用相同的镜头在相同的工作距离和f/#下，使用白光和使用470nm波长的光源进行照明会有不一样的结果。在图中，白光下的镜头的奈奎斯特极限下的所有性能均不高于50%；470nm光波长情况下，奈奎斯特极限下的所有性能均高于白光下的。此外，470nm下的系统中心的性能高于白光下的衍射极限。这一提升得益于以下两方面原因：1、使用单色光消除了系统中的色像差；2、470nm波长的光是用于可见范围成像光线的最短波长之一。所以较短的波长能够实现较高的分辨率。

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