光的波長對視覺成像性能的影響

光的波長對視覺成像性能的影響

當光穿過介質（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。當試圖在成像系統中解析細節和獲取信息時，同樣的情形會產生問題。

為了避免這個問題，成像和機器視覺系統通常使用單色照明，它只涉及單一波長或光譜的窄帶。單色照明，例如來自660nmLED，實際上消除了成像系統中所謂的色差。

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，不同波長在系統中可能產生不同的MTF效應。衍射極限定義了完美透鏡可以產生的最小理論光斑，例如艾里斑直徑與波長相關的定義。

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波長的光源進行照明會有不一樣的結果。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實現較高的分辨率。

光的波長對成像性能具有顯著的影響，這種影響主要體現在視覺成像、色差消除、鏡頭性能以及不同波段范圍成像應用等多個方面。

首先，光的波長會影響視覺成像的性能。當光穿過不同介質（如玻璃、水、空氣等）時，不同波長的光會以不同的角度彎曲，這在陽光穿過棱鏡并產生彩虹效果時尤為明顯。較短的波長相比較長的波長會彎曲得更多。在成像系統中，這種彎曲可能會導致細節解析和信息獲取的困難。為了避免這種問題，成像和機器視覺系統通常會采用單色照明，這種照明方式只涉及單一波長或光譜的窄帶，從而消除色差，提高成像質量。

其次，波長還會影響鏡頭的性能。不同波長的光在使用同一個鏡頭時會產生不同的效果，這與鏡頭的透光率和色差等有關。例如，使用短波長的光與鏡頭配合時，其理論分辨率和性能往往會更好。此外，鏡頭的設計也需要考慮波長因素，通過選擇合適的鏡頭結構，可以將光波長的影響降到最低，從而優化圖像質量。

再者，不同波長的波段范圍成像具有不同的應用。例如，在新冠肺炎疫情期間，長波紅外（LWIR）成像被廣泛應用于非接觸式溫度測量。這種成像方式利用特定波長的紅外光，能夠準確地測量物體的溫度，為疫情防控提供了重要的技術支持。

審核編輯：黃飛