Aberace v optice pro CV: analýza defektů

Optické aberace v systémech technického vidění: analýza a dopad

Reálné objektivy vytvářejí obrazy s vadami kvůli optickým aberacím. Ideální čočka sbírá paprsky z bodu objektu do bodu obrazu a zajišťuje maximální ostrost. V praxi paprskové svazky tvoří rozptylová skvrna, což snižuje kontrast a detailnost. Aberace Seidela třetího řádu a chromatické efekty jsou klíčové faktory ovlivňující kvalitu v úlohách počítačového vidění.

Aberace se klasifikují do skupin širokých svazků (závisí na průměru vstupní clony) a polních (závisí na úhlu zorného pole). Analýza pomáhá optimalizovat systémy technického vidění pro středně pokročilé a senior developery CV.

Aberace širokých svazků

Tyto aberace se zesilují s rostoucí aperturou. Uzavření clonové membrány zužuje svazek a snižuje efekt.

Sferická aberace

Paralelní svazek se nezaostřuje do bodu, ale do skvrny s zachováním symetrie vůči ose. Transverzální aberace ∆y je úměrná třetí mocnině průměru clony: zdvojnásobení průměru ji zvýší 8krát.

Příklad: u úzkých svazků je skvrna minimální, u širokých výrazně rozmazaná. V CV je to kritické pro systémy s proměnným osvětlením.

Koma

Porušení symetrie šikmých svazků vede k kuželovité rozptylové skvrně. Na ose koma chybí, ale roste k okrajům pole. V astrofotografii a dalekohledech koma zkresluje hvězdné obrazy do ocasu.

Matematicky je koma podobná asymetrii zón sferické aberace. Korektory komy se používají ve specializovaných optikách.

Polní aberace

Projevují se při libovolném úhlu pole, i u úzkých svazků. Ovlivňují okraje snímku ve širokoúhlých systémech.

Astigmatismus

Šikmé svazky se nezaostřují do bodu, ale do dvou astigmatických ohnisek: tangenciálního (t) v meridiánní rovině a sagitálního (s) v kolmé.

• Meridiánní rovina: ohnisko t.
• Sagitální rovina: ohnisko s.
• Vzdálenost t-s: kvantitativní míra astigmatismu.

Na snímači se obrazy mění ve tvaru: od čar v t a s po kruhy mezi nimi. V 3D modelování (Zemax) je vidět absence jediného ohniska.

Příklad průřezů svazku:

• Blízko t: čára kolmá k rovině.
• Mezi t a s: elipsa.
• Blízko s: čára v rovině.

Zakřivení obrazu

Nejostřejší obrazy leží na konkávní ploše COC mezi TOT a SOS, ne na ploché fokální rovině FOF. Snímače jsou ploché, takže okraje snímku se rozmazávají.

Plocha COC je blízko kouli pro malá pole. Kombinuje se s astigmatismem a zesiluje degradaci periferie.

Chromatické aberace

Závisí na disperzi: různé délky vln se zaostřují do různých bodů.

• Chromatismus polohy: podélné posunutí ohniska podle délky vlny.
• Chromatismus zvětšení: laterální posunutí pro off-axis body.

V polychromatickém osvětlení to způsobuje barevné světiny a snižuje kvalitu v systémech CV.

Celkový pohled na aberace a korekce

Kombinace aberací tvoří složité rozptylové skvrny. Kvalita klesá od středu k okrajům: sferická a koma dominují ve středu při velké apertuře, polní na periferii.

Korekce:

• Asférické plochy pro sferickou aberaci a komu.
• Asférické prvky a kombinace čoček pro polní.
• Achromáty (korunní + flintové sklo) pro chromatismus.
• Vícečočkové systémy s optimalizací v Zemax.

V technickém vidění se volí objektivy s vyváženými aberacemi podle úlohy: úzký úhel – minimalizovat komu, široký – zakřivení.

Co je důležité

• Sferická aberace roste jako D³, kde D je průměr clony; zavírejte clonu pro ostrost.
• Koma zkresluje šikmé svazky kuželem, kritická pro astro- a širokoúhlé systémy.
• Astigmatismus rozděluje ohniska t a s, mění tvar skvrn od čar po kruhy.
• Zakřivení pole vyžaduje polokulové snímače nebo korekci pro ploché matice.
• Chromatismus se koriguje achromáty; v CV zohledněte spektrum osvětlení.

— Editorial Team