最小化球差：为您的成像系统选择合适的镜头

什么是球差?为什么会发生球差?  

即使使用精密的镜头系统，也很难将整个图像聚焦。球面镜头的光线会根据光线通过的表面位置而发生不同程度的弯曲。下面图1中，光线以不同的角度折射，镜头上的曲线越陡，折射角越大。对于使用球面玻璃的相机镜头，靠近玻璃边缘的表面始终会以更陡峭的角度折射光线。这会产生一些入射光，主要表现为靠近曲面边缘的光，在所需焦面之前聚焦。这种现象称为球差。

球差表示图像边缘模糊度。相机使用球面镜头会导致靠近镜头边缘（远离光轴）的光线在更靠近镜头的位置聚集（如图1所示）。靠近光轴的光线称为近轴光线，靠近镜头外围的光线称为边缘光线。应该注意的是，几乎所有相机光学元件都使用球面透镜。

这与放大镜通过镜头中心聚焦至最佳点的方法类似。图2突出显示了电路在中心附近的焦点，但电路板的其余部分（尤其是文本）失焦。

图3显示了球差的另一个示例，其中使用放大镜对Teledyne Lumenera手册上的文本进行成像。在这张图像中，文本的中心（“Teledyne”）仍然聚焦。但是，文本在图像边缘处失焦。图3中的桶形失真放大了失焦问题，但在实际设置中，球差可能导致图像模糊并丢失帧边缘附近的重要图像数据。

为什么球差对成像应用很重要? 

图像清晰度是设计视觉系统时必须考虑球差的最重要原因。如果不进行校正，生成的图像边缘可能会出现轻微、甚至非常强烈的模糊感。在某些情况下，这种模糊可能会导致图像“切断”目标或环境的重要部分。如果没有边缘到边缘的清晰度，图像分析过程会更难。

在精准农业（在高空使用非常宽阔的视野）等应用中，确保始终存在相同的边缘到边缘清晰度至关重要。进行后处理协助分析时尤其如此，例如监测作物健康状况使用的NDVI，或利用更高位深度的软件来实际生成分析本身。

如需了解NDVI和更多关于位深对图像分析的重要性，请阅读Teledyne Lumenera的博文《利用数字成像测量植被健康》（链接：https://www.lumenera.com/blog/vegetation-indices-measuring-vegetation-health-with-digital-imaging）和《深入探索位深》（链接：https://www.lumenera.com/blog/bit-depth）。

在航空成像中，软件拼接用于将图像组合成更大的镶嵌图。使用多台相机增加捕获图像数据的像素数量，可以实现这一目的。但是，如果发生球差，由于缺乏图像边缘清晰度，可能会很难实现镶嵌图效果。图像拼接在一起时，需要一定程度的重叠，从而确保图像适当对齐。如果每张图像的边缘都没有充分聚焦，软件对齐和拼接图像的能力就会受到影响。因此，可能需要使用更多的图像进行重叠，以弥补清晰度的不足，从而有效减少独特信息成像使用的像素数量。

如需了解航空成像中使用多台相机相关的更多信息，请阅读我们的白皮书《在航空成像中使用单台相机还是多台相机》（白皮书下载链接：https://www.lumenera.com/media/wysiwyg/documents/casestudies/Using_Single_vs_Multi_Cameras_in_Aerial_Imaging-White_Paper.pdf）。

归根结底还是要选择合适的镜头 

在使用单透镜元件的早期光学系统中，解决球差的方法是增加一个小光圈。光线通过狭窄路径后，来自镜头边缘的失焦光线会被阻挡，只允许光线通过镜头中心附近。这样一来会产生更清晰的图像，但同时也会降低亮度。因此，使用校正球差的镜头系统有助于防止出现图像质量不佳问题，同时保持所需光量。然而，即使采用能够调整球差的现代镜头设计，在光线充足的情况下，使用较小的光圈仍然是使全画幅对焦的常见解决方案。

如需进一步了解光圈在成像中的作用，请参阅Teledyne Lumenera的博文《通过镜头光圈优化提高成像系统性能》（文章链接：https://www.lumenera.com/blog/improving-imaging-system-performance-with-lens-aperture-optimization）。

对于工业应用而言，如果相机未在受控环境（例如显微镜）中进行使用，那么寻找解决方案可能会更有难度。镜头制造商可能具备更高质量的镜头设计，可以校正多种类型的像差，但大多数使用球面玻璃的镜头系统仍会在一定程度上发生球差。即使有适当校正，球形玻璃带来的物理限制难以将所有入射光线聚焦到一个点上。但适当的镜头设计可以在很大程度上调整球差，拍摄出所有重要细节的图像。

镜头校正球差的一种方法是调整镜头元件的物理形状。磨削加工镜头，使镜头在中心附近位置突出，并对边缘进行一定的调整后，镜头可以校正边缘处的聚焦并让所有光线适当对齐。如图4中的非球面镜头所示。在此图像中，将标准球面镜头与非球面镜头进行了比较。标准镜头会产生几个焦点，但使用非球面镜头就可以解决这个问题，非球面镜头可以将所有光线聚焦到一个点。

根据预算，用户会基于多种因素选择镜头，而不仅仅是对球差的校正能力。显微镜可以搭配购买特殊光学元件，甚至软件解决方案来协助进行图像校正，例如Teledyne Lumenera的INFINITY ANALYZE 7，这款显微相机软件内置球差校正。然而，镜头的物理限制问题并不能完全解决，由于镜头选择多样，永远不会有一只镜头总能拍摄出“完美”的图像。专业人士通常需要购买各种类型的镜头，因为需要不断适应新的成像目标和成像环境。在现实应用中，球差是必然会出现的问题，但借助现代技术，拍摄出的图像几乎可以忽略任何肉眼可见的缺陷。

数百年来，相机技术不断发展，光学元件质量不断提高。逐步提高图像质量一直是相机行业的一贯趋势。撰写这篇博文时，《应用光学》杂志（Doc. ID 351567）针对无球差镜头设计发表了相对较新的研究结果。这表明光学系统一直在不断发展壮大。镜头制造商将继续设计和生产更多细节更精细的产品选项，并在前几代产品的基础上进行改进。