CV 光学中的像差：缺陷分析

机器视觉系统中的光学像差：分析与影响

现实世界的镜头会因光学像差产生图像缺陷。理想镜头将物体上单一点的光线聚焦到图像中的单一点，实现最大清晰度。实际中，光束形成模糊光斑，降低对比度和细节。三阶塞德尔像差和色差是影响计算机视觉任务质量的主要因素。

像差主要分为两类：与光束宽度相关的（取决于入瞳直径）和视场像差（取决于视场角）。理解这些有助于中高级CV开发者优化机器视觉系统。

宽光束像差

这些像差随着光圈增大而加剧。缩小光圈可收窄光束，减轻其影响。

球差

平行光束无法聚焦成点，而是沿光轴扩散成对称光斑。横向像差∆y与瞳孔直径的立方成正比：直径加倍，像差增加8倍。

窄光束下，光斑最小；宽光束下，模糊明显。在机器视觉中，这对变光照条件下的系统至关重要。

彗差

离轴光束失去对称性，形成彗星状模糊斑。轴上彗差为零，向视场边缘渐增。在天体摄影和望远镜中，星点变成拖尾。

数学上，彗差类似于球差区域的不对称。专用光学系统使用彗差校正器。

视场像差

这些像差在任何视场角下出现，即使窄光束也会如此。在广角系统中，它们会降低边缘质量。

像散

离轴光束不聚焦成点，而是形成两个像散焦点：子午面（t）中的切向焦点和垂直面（s）中的矢向焦点。

• 子午面：t焦点。
• 矢向面：s焦点。
• t-s分离：量化像散程度。

在传感器上，图像形状变化：t和s处为线状，中间为圆形。Zemax等3D建模工具显示无单一焦点。

光束横截面示例：

• 靠近t：垂直于平面的线。
• t与s之间：椭圆。
• 靠近s：平面内线。

场曲

最清晰图像位于弯曲表面（最小混叠圆COC），介于切向（TOT）和矢向（SOS）表面之间，而非平坦焦平面（FOF）。平面传感器导致边缘模糊。

小视场下，COC表面近似球面。它与像散结合，加剧外围模糊。

色差

色差源于色散：不同波长聚焦点不同。

• 纵向色差：轴向焦点随波长偏移。
• 横向色差：离轴横向偏移。

在多色光下，产生色边，损害机器视觉系统质量。

整体像差模式与校正

多种像差叠加形成复杂模糊斑。质量从中心向边缘衰减：大光圈下中心主导球差和彗差，外围为视场像差。

校正策略：

• 非球面用于球差和彗差。
• 非球面元件和透镜组合用于视场像差。
• 消色差透镜（冠玻璃+燧石玻璃）解决色差。
• Zemax优化的多元件系统。

在机器视觉中，选择针对任务平衡像差的镜头：窄视场最小化彗差，广视场校正场曲。

关键要点

• 球差与瞳孔直径D的立方成正比（D³）；缩小光圈提升锐度。
• 彗差使离轴光束成彗尾，对天文和广角系统关键。
• 像散将焦点分为t和s，斑点从线变圆。
• 场曲需弯曲传感器或校正以适配平面。
• 色差用消色差透镜修复；CV需考虑光谱。

— Editorial Team