光的波长对视觉成像性能的影响

光的波长对视觉成像性能的影响

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。

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。

光的波长对成像性能具有显著的影响，这种影响主要体现在视觉成像、色差消除、镜头性能以及不同波段范围成像应用等多个方面。

首先，光的波长会影响视觉成像的性能。当光穿过不同介质（如玻璃、水、空气等）时，不同波长的光会以不同的角度弯曲，这在阳光穿过棱镜并产生彩虹效果时尤为明显。较短的波长相比较长的波长会弯曲得更多。在成像系统中，这种弯曲可能会导致细节解析和信息获取的困难。为了避免这种问题，成像和机器视觉系统通常会采用单色照明，这种照明方式只涉及单一波长或光谱的窄带，从而消除色差，提高成像质量。

其次，波长还会影响镜头的性能。不同波长的光在使用同一个镜头时会产生不同的效果，这与镜头的透光率和色差等有关。例如，使用短波长的光与镜头配合时，其理论分辨率和性能往往会更好。此外，镜头的设计也需要考虑波长因素，通过选择合适的镜头结构，可以将光波长的影响降到最低，从而优化图像质量。

再者，不同波长的波段范围成像具有不同的应用。例如，在新冠肺炎疫情期间，长波红外（LWIR）成像被广泛应用于非接触式温度测量。这种成像方式利用特定波长的红外光，能够准确地测量物体的温度，为疫情防控提供了重要的技术支持。

审核编辑：黄飞