CV 광학 수차: 결함 분석

기계 비전 시스템의 광학 수차: 분석과 영향

현실 세계의 렌즈는 광학 수차로 인해 결함이 있는 이미지를 생성합니다. 이상적인 렌즈는 물체의 한 점에서 나온 빛줄기를 이미지의 한 점에 초점을 맞춰 최대한의 선명도를 제공합니다. 실제로는 빛 다발이 흐릿한 점으로 형성되어 대비와 세부 사항이 줄어듭니다. 3차 세이델 수차와 색차 효과가 컴퓨터 비전 작업의 품질을 저하시키는 주요 원인입니다.

수차는 두 가지 주요 범주로 나뉩니다: 빔 폭에 의존하는 수차(입사 동공 지름과 관련)와 필드 수차(필드 각도와 관련). 이를 이해하면 중급 및 고급 CV 개발자가 기계 비전 시스템을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

광빔 수차

이 수차는 조리개 크기가 커질수록 악화됩니다. 조리개를 좁히면 빔이 좁아져 영향이 줄어듭니다.

구면 수차

평행 빛 다발이 한 점에 초점을 맞추지 않고 광축을 따라 대칭적인 점으로 퍼집니다. 횡 수차 ∆y는 동공 지름의 세제곱에 비례합니다: 지름을 2배로 하면 8배 증가합니다.

좁은 빔에서는 점이 최소화되지만, 넓은 빔에서는 상당히 흐려집니다. 기계 비전에서 다양한 조명 조건 하의 시스템에 중요합니다.

코마 수차

축 외측 빔이 대칭성을 잃고 혜성 모양의 흐릿한 점을 형성합니다. 축 상에서는 코마가 0이지만 필드 가장자리로 갈수록 증가합니다. 천체나 망원경에서 별 이미지를 꼬리로 만듭니다.

수학적으로 구면 수차 영역의 비대칭과 유사합니다. 특수 광학계는 코마 보정기를 사용합니다.

필드 수차

이 수차는 좁은 빔에서도 모든 필드 각도에서 나타납니다. 광각 시스템의 가장자리를 저하시킵니다.

비점수차

축 외측 빔이 한 점이 아닌 두 비점 초점으로 모입니다: 경선(t) 평면의 접선(t) 초점과 수직 평면의 시선(s) 초점.

• 경선 평면: t 초점.
• 시선 평면: s 초점.
• t-s 분리: 비점수차의 양을 정량화.

센서상에서 이미지가 형태를 바꿉니다: t와 s에서 선, 그 사이에서 원. Zemax 같은 3D 모델링 도구가 단일 초점 부재를 보여줍니다.

빔 단면 예시:

• t 근처: 평면에 수직인 선.
• t와 s 사이: 타원.
• s 근처: 평면 내 선.

필드 곡률

가장 선명한 이미지는 평평한 초점면(FOF)이 아닌 곡면(최소 혼동 원 COC)에 있습니다. TOT(접선)와 SOS(시선) 표면 사이입니다. 평평한 센서로 가장자리가 흐려집니다.

작은 필드에서 COC 표면은 구면을 근사합니다. 비점수차와 결합해 주변 선명도를 악화시킵니다.

색차 수차

분산으로 인해 발생: 파장에 따라 초점이 다릅니다.

• 종방향 색차: 축상 초점 이동.
• 횡방향 색차: 축 외측 측방 이동.

다색광 아래에서 색 테두리가 생겨 기계 비전 품질을 해칩니다.

전체 수차 패턴과 보정

결합 수차가 복잡한 흐림 점을 만듭니다. 품질은 중심에서 가장자리로 떨어집니다: 큰 조리개에서 중심은 구면과 코마, 주변은 필드 수차가 지배적입니다.

보정 전략:

• 구면과 코마에 비구면 표면.
• 필드 수차에 비구면 요소와 렌즈 조합.
• 색차에 크라운+플린트 유리의 아크로맷.
• Zemax 최적화 다중 요소 시스템.

기계 비전에서 작업에 맞춰 수차 균형 렌즈 선택: 좁은 필드에 코마 최소화, 넓은 필드에 필드 곡률.

주요 요점

• 구면 수차는 D³(동공 지름 D)에 비례; 선명도 위해 조리개 좁힘.
• 코마는 축 외측 빔을 혜성 꼬리로, 천체 및 광각 시스템에 중요.
• 비점수차는 초점을 t와 s로 분리, 점을 선에서 원으로 변형.
• 필드 곡률은 평면 센서에 곡면 센서나 보정 필요.
• 색차는 아크로맷으로 보정; CV에서 조명 스펙트럼 고려.

— Editorial Team